基于PLC控制的机械手设计毕业设计（论文）word格式

1、1、概述1.1 课题背景工业机械手的广泛应用，机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。宇宙及海洋的开发，军事工程及生物医学方面的研究和试验。1.2 课题的提出随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器手所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工

2、业生产中，往往移动货物这一工序还需要人工操作，既费时费力，又影响效率。为此，我们把机械手的plc自动控制作为我们研究的课题。1.3 课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为通用机械手；(2)机械手基本原理的设计；(3)机械手的控制系统的设计；(4)本机械手拟采用可编程序控制器(plc)对机械手进行控制，本课题将要求选取plc型号，根据机械手的工作流程编制出plc程序，并画出梯形图。2、机械手的总体设计2.1 机械手的概述工业机器手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人手操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产

3、设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手

4、可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批

5、量生产中获得广泛的引用。2.2 机械手移动物体的基本构造机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图2-1 各系统相互之间的关系人机界面注塑机顶针信号plc注塑机开合摸拟信号上下气动电磁阀引拔气动电磁阀横行变频器上下轴驱动引拔轴驱动横行轴驱动2.2.1 执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。机械手各部分组成列表2-1。各部分结构如图2-2所示。图2-2 各部分结构表2-1 机械手个部分组成表执行机构手部手腕手臂立柱行走机构机座驱动系统动力源控制调节装置辅助装置控制系统程序控制系统定位控制系统 位置检测装置

6、 (1)机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(2)立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。(3)手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。(4)手腕手腕是

7、连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和v形槽、燕尾槽等导向型式。(5)手部手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平

8、移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、v形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件

9、、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。(6)行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另

10、外增设机械传动装置。2.2.2 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。考虑到机械手为通用机械手加之plc控制的需要可选用电力驱动。(1)动力源为达到精确控制的目的，根据市场情况，本设计采用步进电机自我动力源。机械手纵轴(y轴)和横轴(x轴)选用的是北京四通电机技术有限公司42byg250c型两相混合式步进电机，步距角为0.9/1.8，电流1.5a。m1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；m2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是sh-20403型，该驱动器采

11、用1040v直流供电，h桥双极恒相电流驱动，最大3a的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在1040vdc之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3a/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9a到3a以配合不同的电机使用。本驱动器可提供整步、改善半步、4细分

12、、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。(2)控制调节装置机械手的旋转动作采用松下伺服电机a系列，其额定输出50w、100/200v共用，旋转编码器规格为增量式，有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500hz；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品v系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调

13、整方式，还配有rs-485、rs-232c通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为a系列msda5a3a1a，适用于小惯量电动机。(3)辅助装置采用可回旋360的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57bl1010h1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的bl-0408驱动器，其采用2448v直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。2.2.3 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的

14、控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(1)程序控制系统根据系统的设计要求，选用simatic公司生产的 s7-200系列小型机。s7-200在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。s7-200的cpu单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设

15、备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它simatic pc和可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。(2)定位控制系统在可回旋360度的转盘机构上，安装有公司生产的增量型旋转编码器，编码器将信号传给plc，实现转盘机构的精确定位。(3)位置检测装置位置检测用传感器，由于机械手运用传感器较多这里就不一一列举。主要介绍位置传感器和压力传感器。控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。图2-3为位置传感器。图2-

16、3 位置传感器机械手抓取物体，要控制这个抓取力，一般采用触力传感器，是因为接触而产生的力，不是通常意义的压力传感器。触力传感器（cui公司的力-电阻型的触力传感器。负荷传感器=接触压力传感器），以及honeywell公司的力-电压型触力传感器fss系列。 如图2-4所示。图2-4 为压力传感器在自动生产线上使用着各种各样的机械手，它们不停地从事着搬运工件的工作。为保证机械手抓取及放置工件位置的准确性，往往采用接近传感器对它们的运动范围进行限位。图2-5是机械手左右运动限位的控制示意图。接近传感器设置在机械手臂的左右需要限位的位置，当机械手臂左右运动靠近接近传感器时，传感器感知到手臂接近并在达到

17、规定的检出距离时输出控制信号，经执行机构使机械手停止运行。图2-5 机械手左右运动限位的控制示意图2.3 机械手移动物体的工作流程与工作原理机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。应用plc控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。图2-6是机械手搬运物品示意图。 图2-6 机械手搬运物品示意图图中机械手的任务是将左工作台的物品搬运到右工作台，左工作台上的物品由传送带a传送，右工作台由传送带b传送。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关sp，对机械手分别进行抓紧、左转

18、、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。工作台上装有光电开关，用于检测工作台上物品是否到位。机械手的起、停由起动按钮x0、停止按钮x5控制。工作台传送由电动机拖动。机械手的上、下、左、右、抓紧、放松等动作由电机驱动，并分别由五个继电器来控制。2.3.1 机械手移动物体的工作流程传送带b处于连续运行状态，故不需要用plc控制。机械手及传送带顺序动作的要求是：(1)按下起动按钮时，机械手系统工作。首先下降继电器通电，手臂下降，下降至下降限位开关动作；(2)启动传送带a运行，由光电开关sp检测传工作台上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧继电器通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关动作；(3

19、)延时5秒上升继电器通电，手臂上升，至上升限位开关动作；(4)右转继电器通电，手臂右转，至右转限位开关动作；(5)手臂再次下降，至下降限位开关再次动作；(6)放松继电器通电，机械手松开手爪，经延时10秒后； (7)手臂再次上升，至上升限位开关再次动作；(8)左转继电器通电，手臂左转，至左转限位开关动作；(9)原位继电器通电，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。机械手的初始位置在原位，按下启动按钮，机械手将依次完成：下降夹紧上升右移下降放松上升左移八个动作，实现机械手一个周期的动作。机械手的下降上升左移右移的动作转换靠限位开关的控制而夹紧放松动作的转换靠时间继电器控制。根据对机械手的顺序动作

20、要求，可作出机械手动作流程图。其动作流程图见附录a所示。2.3.2 机械手移动物体的工作原理机械手的设计原理是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：自由度的旋转、肩的前后动作、肘的上下动作、腕(手)的动作。(1)机械手将一个工件有a处传送到b处.其中上升,下降和左移,右移的执行分别用双线圈二位继电器推动汽缸的完成.当摸个继电器通电,就一直保持现有的机械动作.例如,一旦下降的继电器线圈通电,机械手下降,即使线圈在断电,仍保持现有的下降动作状态,直到相反方向的线圈通电为止.另外加紧,放松由单线圈二位继电器推动汽缸完成,线圈通电执行加紧动作,线圈断电执行放松动作。设备装

21、有上下左右限位开关。(2)工作过程其动作过程如下：原位 下降, 加紧,上升 右移, 下降,放松,上升,移动，原位。(3)在我们分析与讨论过程中，我画出主回路原理图，如图2-7所示，电源三相电连接断路器经过熔断器连接到交流接触器的主触点上。交流接触器km1是控制机械手原点指示灯，交流接触器km2是控制机械手下降状态，交流接触器km3是控制机械手夹状态，交流接触器km4控制机械手上升状态，交流接触器km5控制机械手右移，交流接触器km6控制机械手左移状态，当闭合断路器交流接触分别实现如下表：图2-7 主回路原理图表2-2 机械手工作状态表接触器触点工作状态km1线圈得电原点指示灯亮表明机械手工作在

22、原点位置最左边和最右边km2线圈得电主触点闭合模拟指示灯接通，机械手工作下降的位置km3线圈得电主触点闭合模拟指示灯接通，机械手工作在夹紧位置km4线圈得电主触点闭合模拟指示灯接通，机械手工作在上升位置km5线圈得电主触点闭合模拟指示灯接通，机械手工作在右移位置km6线圈得电主触点闭合模拟指示灯接通，机械手工作在左移位置(4)按下启动按钮，开始下降，碰到下限位开关，机械手夹紧物体，夹持物体上升，离开下限位，碰到上限位，夹持物体右移，离开左限位，碰到右限位，夹持物体开始下降，离开上限位碰到下限位开关，开始放松物体，机械手放下物体后离开下限位开关，碰到上限位开关，开始左移，离开右限位，回到左限位，

23、机械手完成一次工 作过程。按下停止按钮，机械手需要完成一个周期后回到原位停止。如果没有按下停止，则继续下一个工作周期。机械手传送工件系统示意图及操作面板图如附录b所示。3、机械手的plc控制设计3.1 可编程控制器plc的概述图3-1 plc 实物图可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一

24、台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。3.1.1 可编程控制器plc的产生 在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要

25、求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： 1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115v；8、输出为交流115v，2a以上，能直接驱动继电器，接触器等；9、在扩展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4k。1969年，美国数字设备公司（dec）研制出第一台plc，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一

26、系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台plc。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台plc。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。 3.1.2 plc的工作原理 plc的工作原理，一般来说，plc的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图3-2所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和

27、输出刷新三个阶段。图3-2 plc 工作原理图(1)输入采样阶段在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上

28、后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (3)输出刷新阶段当扫描用户程

29、序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。plc工作过程如图3-3所示。图3-3 plc 工作示意图3.1.3 plc的特点(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

30、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

31、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

32、。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。3.2 可编程控制器的选型 plc选型的基本原则是在满足基本控制功能和容量的前提下，尽量保证工作可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。(1)对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构plc；其他情况则选用模块式plc。(2)plc一般是根据其输入输出点数及存储器容量的大小分类，在plc选型之前首先确定系统

33、i/o点数利存储器容量。plc存储器用于存储用户程序和数据，一般有内置式和外插式两类，存储器容量选择可对照相关应用表来确定。(3)plc一般可以通过三种方式进行编程。一种是厂家提供的普通手持式编程器编程，一般只能用于厂家规定的语句表中的语句进行编程；另一种是在普通计算机上运行专用的编程软件来编程，支持的编程语言多编程操作非常方便；第三种是厂家专用图形编程器编程，这类编程器采用梯形图编程，方便直观，我们此次设计就是采用梯形图编程。由于机械手系统的输入/输出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对plc进行监控和管理，故选用德国的西门子公司生产的s7-200系列多功能小型cpu22

34、4主机。该机输入点为14，输出点为10。内部主要有：168个辅助继电器、16个特殊功能继电器、160个保持继电器、10个暂存继电器、48个定时/计数器、64个16位数据存贮器。plc结构框图如图3-4所示。图3-4 plc结构图3.3 可编程控制器的工作过程 可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用 了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。(1)第一阶段是初始化处理可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，cpu对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为i/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输

35、入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， cpu首先使i/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。(2)第二阶段是处理输入信号阶段在处理输入信号阶段，cpu对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到i/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在i/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。(3)第三阶段是程序处理阶段当输入状态信息全部进入i/0状态表后，cpu工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行

36、依次扫描，并根据各i/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入i/0状态表的输出状态暂存器中。(4)第四阶段是输出处理阶段cpu对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到i/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，cpu又返回执行下一个循环的扫描周期。3.4 可编程控制器的连接(1)pc机与plc实现通信的条件带异步通信适配器的pc机与plc只有满足如下条件，才能互联通信：带有异步通信接口的plc才能与带异步通信适配器的pc机互联。还要求双方采用的总线标准一致，否则要通过“总线标准变换单元”

37、变换之后才能互联。双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验都相同。要对plc的通信协议分析清楚，严格地按照协议的规定及帧格式编写pc机的通信程序。plc中配有通信机制，一般不需用户编程。pc机及与fx系列plc的串行通讯。(2)硬件连接pc机与s7-200系列plc不能直接连接，要经过s7-200aw单元进rs-485的变换。s7-200系列plc的通信协议，在pc机中必须依据互联的plc的通信协议来编写通信程序，因此先介绍s7-200系列plc的通信协议。(3)数据格式simatic s7-200系列plc采用异步格式，由1位起始位、7位数据位、1位偶校验位及1位停止位组成，波特

38、率为9600bps，字符为ascii码。(4)通信命令s7-200系列plc有4个通信命令，它们是读命令、写命令、强制通命令、强制断命令。(5)通信控制字符s7-200系列plc采用面向字符的传输规程，用到5个通信控制字符。(6)传输过程pc机与s7-200系列plc之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。3.5 可编程控制器的使用过程 在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。(2) i/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象

39、的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(lcd或crt)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。(4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修

40、改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如ibm-pc机，只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序，可以固化在eprom中或保存在磁盘上备用。(8)可编程序控制器的输入输出保护可编程序控制器的输入输出保护是为保护plc正常工作采取的必要措施。我翻译大量资料根据不同状况列出了plc应采取的措施，如下表：表3-1 plc输入输出保护类别保护措施直流输入在需要保护的输入口反并接稳压二极管,稳压值低于输入口的电压额定值交流输入在需要保护的输入口并接

41、电阻与电容串联的组合交流感性负载在负载两端并联压敏电阻,或并联电阻与电容串联的组合(c=0.1uf;r:0.5w,100-200欧)直流感性负载在负载两端并联续流二极管(额定电流为1安左右)或齐纳二极管3.6 机械手的plc控制方案3.6.1 系统简介控制对象为圆柱座标电动机械手。它的手臂具有两个自由度，即竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置机械手，还可完成抓、放功能。以上动作均采用电动方式驱动，即用五个继电器，线圈通、断对应两个相反动作分别控制五个电动机，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使直线运动转化为

42、旋转运动。 这样，可用plc的6个输出端与继电器的6个线圈相连，通过编程，使继电器各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外 ，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。3.6.2 机械手的工作流程由于自动操作的动作复杂，不容易直接设计出梯行图，可以先画出自动操作流程图，用以表明动作的顺序和转换的条件，然后根据所采用的控制方法，设计梯行图就比较方便。机械手工作时序图见附录c所示。3.6.3 plc选型及i/o接线图根据系统输入输出点的数目

43、，选用cpu 22x 型plc，它有14个输入点，标号为i0.0i0.7、i1.0i1.5和10个输出点，标号为q0.0q0.7、q1.01.1 表3-2为机械手控制i/o分配表表3-2 i/0分配序号符号功能描述序号符号功能描述1i0.0启动13i1.4上升2i0.1下限14i1.5右移3i0.2上限15i2.0左移4i0.3右限16i2.1夹紧5i0.4左限17i2.2放松6i0.5无工作检测18i2.3复位7i0.6停止19q0.0下降8i0.7手动20q0.1夹紧/放松9i1.0单步21q0.2上升10i1.1单周期22q0.3右移11i1.2连续23q0.4左移12i1.3下降24q

44、0.5原位显示根据控制要求，plc控制系统选用siemens公司s7-200系列cpu 22x和cpu 221，基本单元i/o cpu 224集成14输入/10输出共24个数字量i/q点，可连成7个扩展模块。最大扩展至168路数字量i/o或35路模拟量i/o点，13kb程序和数据存储空间。其输入输出端子电气接线图如图3-5所示。图 3-5 输入输出端子电气接线图3.6.4 plc 程序设计 (1)整体设计为了本次编程结构简洁、明了、把手动程序和自动程序分别编成相对独立的子程序模块，通过调用指令进行功能选择。当工作方式开关选择手动时，i0.7接通，执行手动工作程序；当工作方式选择自动方式（单步、

45、单周、连续）时，i1.0、i1.1、i1.2分别接通执行自动程序。整体设计梯行图（主程序）如图3-6所示。图3-6 主程序(2)手动程序手动程序不需要工序实现动作，可以按普通继电器控制系统设计。手动按钮i1.3、i1.4、i1.5、i2.0、i2.1、i2.2分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松各动作。手动控制的程序如图3-7所示。图3-7 手动程序控制图 （子程序0）(3)自动操作程序由于序控制可用多种方法进行编程，用移位寄存器也可以实现这种控制功能，转换的条件由各行程开关及定时器的状态来决定。机构处于原位，上限位和左限位行程开关闭合，i0.2、i0.4接通，移位寄存器首位m1.o接通

46、q0.5输出原位显示，机构当前处于原位。按下启动按钮，i0.0接通，产生移位信号，使移位寄存器右移移位，m1.1接通（同时m1.0断开，m1.1得电，q0.0输出下降信号）。下降至下限位，下限位开关受压，i0.1接通，移位寄存器右移一位，移位结果使m1.2接通(其余未断开)，q0.1接通，夹紧动作开始，同时t37触点接通，定时器开始定时。经延时（与设定k值有关），t37触点接通，移位寄存器又右移一位，使m1.3接通（其余断开），q0.2接通，机构上升。由于m1.2为接通状态，所有夹紧动作继续进行。上升至上限位，上限位开关受压，i0.2接通，寄存器再右移一位，m1.4接通(其余断开)q0.3接通

47、，机构右行。右行至右限位，i0.3接通，将寄存器中的m1.5接通，q0.0通电，机构再次下降。下降至下限位，下限位开关受压，移位寄存器又右移一位，使m1.6接通（其余断开），q0.1复位，放下搬运零件同时接通t38定时器，定时器开始定时。延时时间到，t38常开触点闭合，移位寄存器右移一位，m1.7接通（其余断开），q0.2再次通电上升。上升至上限位，上限位开关受压，i0.2闭合，移位寄存器右移一位，m2.0接通（其余断开），q0.4接通，机构左行。左行至原位后，左限位开关受压，i0.4接通，寄存器仍右移一位m2.1接通（其余断开），一个自动循环结束。sr图 3-8 自动程序控制图 （子程序1）

48、(4)输出显示程序机械手的主要动作包括上升、左行、右行、夹紧、放松，在控制程序中m1.1、m1.5分别控制左右下降，m1.2控制夹紧，m1.6控制放松，m1.3、m1.7分别控制左右上升，m1.4、m2.0分别控制左、右运行，m1.0原位显示。据此可设计出输出梯行图如图3-9所示。图3-9 输出显示程序3.6.5 程序仿真(1)启动当机械手处于原位及i0.2、i0.4=1按下启动按钮及i0.1输入，q0.0得电控制机械手下降。其输入输出程序显示如下图所示。图3-10 启动仿真图(2)夹紧/上升机械手下降到下限，及i0.1输入q0.1得电，定时器t37定时，线圈q0.1控制机械手夹紧物体。定时到，t37常开闭合，线圈q0.2得电控制机械手上升。其输入输出程序显示如下图所示。图3-11 夹紧/上升仿真图(3)右行机械手上升到上限及i0.2输入线圈q0.2得