PLC机械手论文.doc

xxx 学院学院 毕业论文设计毕业论文设计 题题 目：目： 工业机械手的工业机械手的 plcplc 控制控制 姓 名： 微小侯 单 位： xxx 学院 指导教师： 2012 年 7 月 3 日 设计任务书设计任务书 设计一个工业机械手的 plc 控制系统。工业机械手工作示意图如下图所示，其任务是将传 送带 a 的物品搬到传送带 b 上。 设计要求设计要求 1、机械手的原位是在传送带 b 上，开始工作时（按启动按钮） ，先是手臂上 升到上限位时，上升限位开关 ls4 闭合，手臂左旋；左旋到位时，左旋限位 开关 ls2 闭合，手臂下降；到下限位时，下降限位开关 ls5 闭合，传送带 a 运 行。当光电开关 psl 检测到物品已进入手指范围时，传送带 a 停止。手指抓物 品。当物品抓紧时，抓紧压力开关 ls1 动作，手臂上升；到上限位时，上升限 位开关 ls4 闭合，手臂右旋；右旋到位时，右旋限位开关 ls3 闭合，手臂下降； 下降到下限位时，下降限位开关 ls5 闭合。手指放松，物品被放到传送带 b 上。 延时 2s 后，一个循环结束，再自动重复。按停车按钮后完成当前循环后停止运 行。按紧急停车按钮后立即在当前位置停车。按启动按钮后若机械手不在初始 位置，应首先返回初始位置（ls3，ls5 闭合） 。 2、根据设计要求分析所要做的主要工作，应采用的 plc 的基本要求。设计 i/o 分配表，编制程序，画出梯形图。然后画出电路接线图、原理图 3、详细分析系统工作原理，说明梯形图中每一个触点和线圈的作用，以及整个 控制系统的工作原理。结束语（设计小结、存在问题、意见建议等） 。 4、论文使用 a4 纸打印。页面设置为左边距 2.5 厘米，其他三边边距均为 2 厘米，装订线 0 厘米。行距为多倍行距，设置值 1.25。采用三级标题即：标题 1 二号字，标题 2 三号字，标题 3 小四号字。文字部分中文用宋体，英文用 times new roman 字号均为小四。图表全部居中，版式设置为上下型，并应有 标号和说明（如：图 1-1 主电路电气原理图） 。 摘 要 随着社会市场经济的不断繁荣和发展，工业自动化的进程正在飞速发展。传 统手工、半手工工艺加工，已经远远满足不了当代社会发展。各企业为了提高 生产效益，赚的最大利润，纷纷改造车间，装配自动化生产线，机械手作为工 业自动化生产中一个重要环节，越来越多的被人民重视，利用机械手可以完成 某些人类无法完成的动作，从而大大提高生产的安全性和可靠性的同时生产效 益也得到提高，本文就是介绍如何利用 plc 编程来实现这一目的。 关键词：机械手、控制、关键词：机械手、控制、plc 目 录 第一章 机械手的发展与分类2 1.1 概述.2 1.2 机械手的分类及工作原理.3 1.3 机械手的组成部件.5 第二章 工业机械手设计方案9 2.1 机械手设计程序.9 2.2 机械手 plc 控制系统的组成.10 2.3 机械手的性能分析.12 第三章 可编程控制器的结构与工作原理14 3.1 plc 的结构14 3.2 可编程控制器的基本结构.14 3.3 开关量 i/0 模块.16 3.4 可编程控制器的工作原理.16 3.5 西门子 s7-200cn 系列特点.17 第四章 plc 控制程序设计.19 4.1i/o 分配.19 4.2 顺序控制法.20 4.3 plc 设计梯形图20 设计总结25 参考文献29 致谢30 附录一 . 1 第一章第一章 机械手的发展与分类机械手的发展与分类 1.1 概述概述 机械手的定义及其应用领域机械手的定义及其应用领域 机械手是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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人， 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。 机械手的发展史机械手的发展史 它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20 世纪中期，随 着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机问世以来，计算机 取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切 需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的 研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于 1947 年开发 了遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从机械手。机械手首先是从美国开始研制的。 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助 伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记 录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用 机型（示教再现）是 1962 年美国 amf 公司推出的“verstran”和 unimation 公司推 出的“unimate”。 机械手的应用优势机械手的应用优势 这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。 2 1.2 机械手的分类及工作原理机械手的分类及工作原理 机械手的分类比较复杂，一般从不同的角度进行分类机械手的分类比较复杂，一般从不同的角度进行分类: a.按抓持物件的形状、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。 b. 按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手； c. 按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种； d. 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。 机械手的工作原理概述机械手的工作原理概述 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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制， 来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心 通常是由单片机或 sp 等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。 1.2 机械手的组成部件机械手的组成部件 工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 a.a. 执行机构执行机构 （1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结 构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用 负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸 盘。 3 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、 丝杠螺母式、弹簧式和重力式。 （2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的 动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、 上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求， 有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱 动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但 回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因 此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 （3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作 或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位）， 则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求， 即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部 的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为 多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响 机械手的工作性能。 （4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 b.b. 驱动机构驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大 致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺 寸紧凑、重量轻、控制方便。 c.c. 控制系统分类控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制， 也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录 程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 4 第二章第二章 工业机械手设计方案工业机械手设计方案 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 plc 工程设计选型。工艺流 程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。plc 及有关设备应是集成的、标准的，按照 易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用 plc 应是在相关 工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，plc 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模 和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程 时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控 制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存 储器容量、确定 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。 2.12.1 工业机械手设计程序工业机械手设计程序 目前，工业机械手在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。而在今天选择 控制机械手运动的设备已经从传统的继电器接触器转变成可编程序控制器（plc） 。 可编程序控制器（plc）与其他计算机控制相比较： 个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是 为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业 现场使用。 单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部i/o信号相连。要将它用于工业控制， 还要附加一些配套的集成电路和i/o接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当 大，要求设计者具有很强的计算机领域的理论知识和实践经验。 工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是pc总线工 控机，它与个人计算机兼容。工控机采用总线式结构，各厂家产品的兼容性强。工控机 一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实 时性强、功能复杂的领域占有优势。工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继 电器系统有些大材小用。工控机的外部i/o接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直 5 接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。 以上各种计算机用语控制的程序一般都是用汇编语言编写的，不像可编程续控制器的 梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。 可编程序控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型， 对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。可编程序控制 器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。 当然在机械手的控制领域也具有重要的地位，把可编程序控制器用于电梯运动的核心 部分是很合理的选择，而且可编程序控制器现在在市场上也是一种成熟的产品。总之， 经上述比较可得，我确定选用plc控制工业机械手的控制。 2.22.2 工业机械手控制系统的组成工业机械手控制系统的组成 a a . .电器控制系统电器控制系统 该系统由操纵装置、位置显示装置、控制屏等组成，它起着操纵和控制机械手运行的作 用。操纵装置包括电柜中按钮操作或手柄开关、急停开关；位置显示装置是指机械手动 作的实时位置；控制屏安装在机械手操作附近，由各类电气控制元件（或板）组成，是 机械手实行电气控制的集中组件。 b.b. 安全保护系统安全保护系统 机械手上设有机械和电气的各类保护系统，以保证机械手安全使用。机械方面的有限速 器和安全钳，起超速保护作用；缓冲器，起冲顶和撞底保护作用；切断总电源的极限保 护。 2.32.3 工业机械手稳定性与安全性工业机械手稳定性与安全性 可编程序控制器是由继电器逻辑控制而来的，所以它在开关量处理、顺序控制方面具 有一定的优势，发展初期主要侧重于开关量顺序控制。随着计算机技术的发展，可编程 序控制器增加了数值运算、pid闭环调节功能，并开始与个人计算机或小型计算机联网， 它本身也可以构成网络系统。 可编程序控制器的应用领域，在发达的工业国家，可编程序控制器已经广泛地应用在 6 所有的工业部门，随着可编程序控制器的性能价格比的不断提高，过去许多使用专用计 算机的场合也可以使用可编程序控制器。比如用在开关量的控制，这是可编程序控制器 最基本最广泛的应用，它的输入和输出信号都是只有通、断状态的开关量信号，这种控 制与继电器控制最为接近，可以用价格较低，仅有开关量控制的功能的可编程序控制器 作为继电器控制系统的替代物。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动线 生产线，如机床控制、冲压、铸造机械、运输带、包装机械的控制，同样也可以用于电 梯的控制。 通过上述的简述，我希望在控制系统中能够达到如下要求： 1). 系统运行的稳定性及安全性系统运行的稳定性及安全性 工业生产注重生产设备的稳定性，有一个良好的系统稳定性，才能达到效益的最优； 文明生产安全第一，安全不仅仅是一句口号，更多的是铭刻在我们身边时时刻刻。 第三章第三章 可编程控制器的结构与工作原理可编程控制器的结构与工作原理 plc 实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致 的。如下图所示： 编程器 中央处理单元 （cpu） 输入电路 输出 电路 系统程序存储区用户程序存储区 电源 3.13.1 可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构 7 可编程序控制器简称为 plc（programmable logic controller）主要由 cpu 模块、输 入模块、输出模块和编程器组成。 （如下图所示） 可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相 似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由 cpu（中央处理单元） 、存储器（ram 和 eprom） 、输入/输出模块（简称 i/o 模块） 、编程器和电源五大部分组成。 (1) cpu 模块模块 cpu 模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（cpu）和存储器组成。 cpu 的作用类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成以下工作： 1） 输入处理：将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存 器。 2） 程序执行：逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路， 完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。 3） 输出处理：将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。 (2) i/o 模块模块 i/o 模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和 cpu 模块的桥梁。输入模块用 来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位 开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、 热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。 可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执 行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。 cpu 模块的工作电压一般是 5v，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高， 8 如直流 24v 和交流 220v。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏 cpu 模块中的元器 件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以 cpu 模块不能直接与外部输入/输出装置相 连。i/o 模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。 (3)(3) 编程器编程器 编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中 各种编程元件的工作状态。 编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运 行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器 公用。 3.3 开光量的开光量的 i/o 模块模块 开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。电压等级有直流 5v，12v，24v，48v 和交流 110v，220v 等。输入输出电压的允许范围很宽，如某交流 220v 输入模块的允许低电压为 070v，高电压为 70256v，频率为 4763hz。 各 i/o 点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部 i/o 接线一般接 在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线 的情况下，可以迅速地更换模。开关量 i/o 模块可能 4，8，16，32，64 点。 3.43.4 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路 图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。 这种计算机程序实现的“软继电器” ，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。 可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（run）状态与停止（stop）状态。 在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使 可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次， 而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到 stop 工作状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、 通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。可编程序控制器的这种周而复始的循环工 作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看， 处理过程似乎是同时完成的。 9 在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查 cpu 模块内部的硬件是否正常，将监控定 时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键 入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（stop）状态时，只执 行以上的操作。可编程序控制器处于（run）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。 10 3.53.5 西门子公司西门子公司 s7-200cns7-200cn 系列特点系列特点 s7-200cn 系列可编程控制器（简称 plc）是西门子公司生产的最小型的 plc，除了其 出色的硬件特点，在性能、体积、重量、指令系统、运行速度等方面，较过去的 plc 有 了全面的提高和充实。指令是指挥 plc 工作的命令，是构成 plc 程序的基本要素。指令 的多少与功能强弱一方面反映编程的难易，另一方面也体现了 plc 的性能。 s7-200 的用户程序中包含了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其他智能 模块通讯等指令内容，从而使他能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制的目的。 紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令使 s7-200 成为各种控制应用的理想解决方案。 s7-200 cpu 包括 cpu221、cpu222、cpu224、cpu224xp 和 cpu226 等型号。 11 第四章第四章 plcplc 控制程序设计控制程序设计 为此根据需要我们选择西门子 s7-200 cpu226 ac/dc/ply 的机型,他的 i/o 接口分别 为 21,14 符合我们设计需要,该机型采用 ac220v 电源供电,内部电源为 dc24v,采用继电器 输出。 4.14.1 工业机械手工业机械手 i/oi/o 分配信号表分配信号表 输入信号输入信号输出信号输出信号 序号plc 输入点信号名称序号plc 输出点信号名称 1i0.1 手臂上升限位 1q0.0 手臂左旋 2i0.2 手臂下降限位 2q0.1 手臂右旋 3i0.3 手臂旋转左限位 3q0.2 手臂上升 4i0.4 手臂旋转右限位 4q0.3 手臂下降 5i0.5 光电检测开关 5q0.4 手指抓紧 6i0.6 抓紧限位 6q0.5 电动机 m1 7i1.0 启动 7q0.6 电动机 m2 8i1.1 停止 9i1.2 急停按钮 4.24.2 顺序控制法顺序控制法 顺序控制法就是一种针对工业生产过程中的典型顺序控制，使用顺序功能图来指 导编程的方法，他通用并且容易掌握。使用顺序控制法时首先应根据系统的工艺过程， 12 画出顺序功能图，然后根据顺序功能图画出梯形图。 一、一、顺序控制设计法顺序控制设计法 （1） 顺序控制设计方法的基本思路 所谓的顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的程序，在各个输入信号的作 用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动、有序的进 行操作。 顺序控制设计法最基本的思路就是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序 相连的阶段，这些阶段称为步，并用编程元件来代表各步。步是根据输出量的状 态变化来划分的，在任何一步之内，各个输出量的接通和断开的状态不变，但是 相邻的两步输出量总的状态是不同的。这样的划分方法使得代表各步的编程元件 的状态和各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系。 （2） 步的划分和步的转换 根据系统的输出量的状态来划分步，只要输出量的状态发生变化就在该处划 出一步。系统不能总停留在一步之内，从当前步进入下一步称为步的转换。使系 统由当前步进入下一步的信号称为转换条件，转换条件可以是外部的输入信号， 如按钮、指令开关、限位开关的接通和断开；也可以是 plc 内部的信号，如定时 器、计数器常开触点的接通等；转换信号也可以是由若干个信号的与、或、非逻 辑组合。 二、二、顺序功能图顺序功能图 顺序功能图（sequential function chart，sfc）又叫做状态转移图，它是描述控制系统的 控制过程、功能和特性的一种图形，同时也是设计 plc 顺序控制程序的一种有力工具。 （1）顺序功能图的组成 步：步表示系统的某一工作状态，用矩形方框表示。 初始步：与系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始状态一般是系统等待启动 命令的相对静止的状态。用双线方框表示，每一个顺序功能图都有初始步。 步的动作：可以将一个控制系统划分为被控系统和施控系统。 有向链接：在顺序功能图中把每一步按照他们成为活动步的先后顺序用直线连接起 来。 转换和转换条件：转换表示从一个状态到另一个状