基于PLC的工业机械手控制系统设计 - Copy

1、中南大学网络教育学院专科毕业大作业学习中心:专业:学生姓名:学号:评定成绩:评阅教师:摘 要机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。 近年来随着工业自动化的发展机械手 逐渐成为一门新兴学科,并得到了较快的发展。机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、 装配、搬运、喷漆、热处理等各个行业。特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等 恶劣的劳动环境中, 机械手由于其显著的优点而受到特别重视。 总之, 机械手是提高劳动生产率, 改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段。本设计实现了机械手在搬运装配线上, 通过 S7-200PLC 控制机械手完成从 A 传送带搬

2、运物件 至 B 传送带中,然后进入下一个工作流程。机械手的上升 /下降和左转 /右转的执行,分别由双线 圈二位电磁阀控制气缸的运动实现; 夹紧 /放松则是由单线圈的二位电磁阀控制气缸的运动实现。 【 关键词 】 机械手; PLC ;电磁阀目 录4-2 调试过程中注意的事项 . 29 4-3 系统中调试结果 . 29第五章 结束语 . . 32参考文献 . . 33致谢 . . 34第 1章 绪 论1.1 综合训练的目的和意义由于自动化可以节省大量的人力、物力等,而 PLC 也具有其他控制方式所不具有的特殊 优越性,如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学,因此工业领域中广泛 应用

3、PLC 。机械手在美国、加拿大等国家应用较多,如用果实采摘机械手来摘果实、装配生 产线上应用智能机器人等。我国自动化水平本身比较低,因此用 PLC 来控制的机械手还比较 少。本次课题设计的机械手就是通过 PLC 来实现自动化控制的。通过此次设计可以更进一步 学习 PLC 的相关知识,了解世界先进水平,尽可能多的应用于实践。1.2 课题研究的内容本综合训练研究的是基于 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。通过设计编写 PLC 程序实现机械手模型控制系统的自动控制。1第 2章 机械手和 PLC2.1 机械手它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

4、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。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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

5、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。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。机械手在锻造工业中 的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中,加工、 装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法,程控机床、数控机床、 加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产

6、自动化的重要办法。但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。 据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有 75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四 分之三在 50件以下, 零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。 从这里可看出, 装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机2械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产, 广泛应用于柔性自动线。目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、性能方面都 不能满足工业生产发展的需要。因此,国内主要是逐步扩大机械

7、手应用范围,重点发展铸锻、 热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地 发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。 将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同类型的 夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典型部件,即可 组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。同时 要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、 记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐步成为整个机

8、械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,发展较快。目前主要用于机床、模锻压力 机的上下料,以及点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作,但 是还不具备任何传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,就将引起零部件 甚至机械手本身的损坏。为此,国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手, 使其拥有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,做出相应的变更。如位置发生稍些偏差 时,即能更正,并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器以及卫星计算 机。工作时,电视照相机将物体形象变

9、成视频信号,然后传送给计算机,以便分析物体的种 类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件, 通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小可 通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。总之,随着传感技术 的发展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。34现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合,从而 根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。2.2 PLC现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规模、低

10、成本和高质量的产品,为了满足这一要求,生产设备和自动化产线的控制系统必须具有极高 的可靠性和灵活性, PLC正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用工业控制 装置。PLC 的应用面广、功能强大、使用方便,已经广泛第应用在各种机械设备和生产过程的 自动控制系统中, PLC 在其他领域,例如明勇和家庭自动化的应用也得到迅速的发展。 PLC 依 然处于不断的发展之中,器功能不断增强,更加开放,它不但是单片自动化中应用最广的控 制设备,在大兴工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位, PLC 应用面之广、普及程度之 高,是其他计算机控制设备无法比拟的。PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输

11、出模块和编程器组成(见图 2-1。 PLC 的特殊功能 模块用来完成特殊的任务。 图 2-1 PLC 的组成1.CPU 模块CPU 模块主要有微处理器 CPU 芯片和存储器组成。在 PLC 控制系统中, CPU 模块相当认 得大脑和心脏,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出;存储器用来存储 程序和数据。 S7-200将 CPU 模块简称为 CPU 。2. I/O模块输入(Input 模块和输出(Output 模块简称为 I/O模块,它们相当于人们的眼、耳、 手、脚,是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号,开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数

12、字 拨号开关、压力继电器等来的开关量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电 机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、 电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备;模拟量输出模块用来控制调节阀、 变频器等执行装置。CPU 模块的工作电压一般是 5V ,而 PLC 外部的输入、输出电路的电源电压较高,例如 DC 24V 和 AC 220V 。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中的元器件,或使 PLC 不能正常共作。在 I/O模块中,用光耦合器,光敏晶闸管、小型继电器等期间来隔离 PLC 的 内部电路和外部的 I/O电路。 I

13、/O模块除了传递信号外,还有电平转换与隔离的作用。 3. 编程器编程器用来生成用户程序,并用它来编程、检查、修改用户程序,事件用户程序的执行 情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图,只能输入和编程指令表程序,因此又叫做 指令编程器。它的体积小,价格便宜,一般用来给小型 PLC 编程,或者用于现场调试和维护。 使用编程软件可以再计算机屏幕上生成和编辑梯形图或指令表程序,并且可以实现不同 程序语言之间的相互转换。程序被编译后下载到 PLC ,也可以讲 PLC 中的程序上传到计算机。 程序可以存盘或打印,通过网络或电话线,还可以实现远程编程和传达。4. 电源5PLC 使用 AC 220V电源或

14、DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直 流电源。小型 PLC 可以为输入电路和外部的电子传感器提供 DC 24V 电源,驱动 PLC 负载的直 流电源一般由用户提供。一、抗干扰能力强,可靠性高PLC 专门为工业环境而设计,具有很高的可靠性。它的主要模块均采用大规模与超大规 模集成电路, I/O系统设计有完善的通道保护与信息调理电路;在机构上对耐热、防潮、防 尘、抗震都有精确考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施;在软件上采 用数字滤波等干扰和故障诊断措施。所有这些使 PLC 具有较高的抗干扰能力,因此稳定、可 靠,抗干扰能力强。与继电器接触装置和通用计算机相

15、比, PLC 更能试用工业现场较为恶劣 的生产环境。二、控制系统机构简单,通用性强PLC 及外围模块品种多,可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在 PLC 构成的控制系统中,只需要在 PLC 的端子上接入相应的输入 /输出信号线即可,不需要诸 如继电器之类的物理电子器件和大量且繁杂的硬接线线路。当控制要求改变,需要变更控制 系统的功能时,可以用编程器在线或离线修改程序,同一个 PLC 装置用于不同的控制对象, 只是输入 /输出组件和应用软件的不同。 PLC 的输入 /输出可以直接与交流 220V 、直流 24V 等 强电相连,并有较强的带负载能力。三、编程简单,易于使用PLC

16、是面向用户的设备, PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯, 因此 PLC 程序的编制采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似, 这种编程语言形象直观,容易掌握,不需要专门的计算机知识和语言,只要具有一定的电工 和工艺知识就可在短时间内学会。四、功能完善现代 PLC 不仅有逻辑运算、计时、计数、步进控制功能,还能完成 A/D转换、 D/A转换、 模拟量处理、高速计算、联网通信等功能,可以通过上位计算进行显示、报警、记录,进行6人机对话,使控制水平大为提高。因此, PLC 具有极强的适用性,能够很好地满足各类型控 制的需要,是目前工厂中应用最广的自动化设

17、备。五、体积小、维护操作方便PLC 体积小,质量轻,便于安装。 PLC 的输入 /输出系统能够直观地反映现场信号的变化 状态,还能通过各种方式直观地控制系统的运行状态,如内部工作状态、通信状态、 I/O点 状态、异常和电源状态等,对此均有醒目的指示,非常有利于运行和维护人员对系统进行监 控。PLC 通电后,需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使 PLC 得输出及时地响应各种 输入信号,初始化后 PLC 要反复不停地分阶段处理各种不同的任务(见图 2-2,这种周而 复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 图 2-2 PLC典型的扫描方式目前, PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、

18、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。7(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

19、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 PI

20、D 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。8第 3章 机械手控制系统的设计3.

21、1 机械手控制系统构件概述本综合训练机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸、气夹、传送带等机械部件组 成;电气方面有 PLC 、传感器、开关电源、电磁阀、光电开关等电子器件组成,可实现机械 手完成物料的移动等。可编程控制器采用是的西门子 S7-200。该装置从结构上分为机械手本体单位、 PLC 控制单元、接口单元、电源单元等。1 机械手本体单元。 机械手本体单元按功能可分为二轴平衡机构、 底盘、 旋转手臂机构、 夹手、限位开关等部件。2 PLC 控制单元。本装置需要 18个输入点与 8个输出点,采用西门子 CPU226CN AC/DC 继电器型 PLC ,带多种电源和控制电压内置数字量输入

22、/输出:24个输入和 16 个输出。3电源单元。电源单元是用于提供 AC 220V电源4限位开关。在此系统中,共用了 4个限位开关:上升限位开关、下降限位开关、左转 限位开关和右转限位开关。限位开关主要是来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。 5光电开关。光电开关(光电传感器是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光 束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。物体不限于金属,所有能反 射光线的物体均可被检测。6电磁阀。此系统中机械手手臂的上升 /下降、左转 /右转与夹手的松紧都是用气缸来实 现的,使用一个气缸、一个电磁阀就能实现手臂的上升和下降,相对于利用电机的正反转来 实现

23、升降,气缸控制简单方便。气动电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器; 气动电磁阀并不限于液压,气动;气动电磁阀用于控制液压流动方向,工厂的机械装置一般 都由液压钢或电磁阀来控制。 在气路 (或液路 上来说, 两位三通电磁阀具有 1个进气孔 (接进 气气源 、 1个出气孔 (提供给目标设备气源 、 1个排气孔 (一般安装一个消声器,如果不怕噪 音的话也可以不装 。 两位五通电磁阀具有 1个进气孔 (接进气气源 、 1个正动作出气孔和 1个反动作出气孔 (分别提供给目标设备的一正一反动作的气源 、 1个正动作排气孔和 1个反 动作排气孔 (安装消声器 。 对于小型自动控制设备,气管一般选

24、用 812mm的工业胶气管。 在电气上来说, 两位三通电磁阀一般为单电控 (即单线圈 , 两位五通电磁阀一般为双电控 (即910双线圈 。线圈电压等级一般采用 DC24V 、 AC220V 等。 两位三通电磁阀分为常闭型和常开型 两种,常闭型指线圈没通电时气路是断的,常开型指线圈没通电时气路是通的。 常闭型两位 三通电磁阀动作原理:给线圈通电, 气路接通, 线圈一旦断电, 气路就会断开, 这相当于“点 动”。 常开型两位三通单电控电磁阀动作原理:给线圈通电,气路断开,线圈一旦断电,气 路就会接通,这也是“点动”。 两位五通双电控电磁阀动作原理:给正动作线圈通电,则正 动作气路接通 (正动作出气

25、孔有气 ,即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的,将 会一直维持到给反动作线圈通电为止。 给反动作线圈通电,则反动作气路接通 (反动作出气 孔有气 , 即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的, 将会一直维持到给正动作线圈 通电为止。7各种按钮。急停按钮采用带锁的,常闭触点,按下后旋转复位;档位具均使用旋钮控 制,打到该处即将该工作方式接通;其余按钮均采用触点触发方式,按下即接通,松开即复 位。由于 PLC 的抗干扰能力强,所以能在恶劣的工作环境中,可靠地完成控制任务,为了使 设备便于安装、调试,以及从经济角度考虑,设计出图 3-1 所示的机械手控制系统的功能框 图。图 3-1 机械

26、手控制系统的功能框图3.2 系统控制对象及工艺过程如图 3-2是通过传送带传送工件的机械手工作示意图。 利用机械手在装配线上, 通过 PLC 控制机械手的动作,完成取工件及转移工件等工序。 图 3-2 机械手控制示意图机械手用来完成右边传送带 A 上工件向左边传送带 B 的转移。按启动按钮后,传送带 A 运行直到光电开关 PS 检测到物体,才停止,同时机械手下降,下降到位后机械手夹紧物件, 2S 后开始上升,而机械手保持夹紧。上升到位左转(此处以机械手为主体,定左右左转到 位下降,下降到位机械手松开, 2S 后机械手上升。上升到位后,传送带 B 开始运行,同时机 械手右转, 右转到位后, 传送

27、带 B 停止, 此时传送带 A 运行直到关电开关 PS 再次检测到物体, 才停止 , 如此循环。机械手的上升、下降和左转、右转的执行,分别由双线圈二位电磁阀控制气缸的运动控 制。当下降电磁阀通电,机械手下降,若下降电磁阀断电,机械手停止下降,保持现有的动 作状态。当上升电磁阀通电时,机械手上升。同时左转 /右转也是由对应电磁阀控制。夹紧 /放松则是由单线圈的两位电磁阀控制气缸的运动来实现的,线圈通电时执行夹紧动作,断电 时执行放松动作。 并且要求只有机械手处于上限时才能进行左 /右移动, 因此在左右转动时用 上限条件联锁保护。由于上下运动,左右转动采用双线圈两位电磁阀控制,两线圈不能同时 通电

28、,因此在上 /下、左 /右运动的电路中需要设置互锁环节。11 12为了保证机械手动作准确,机械手安装了限位开关 SQ1、 SQ2、 SQ3、 SQ4,分别对机械手 进行下降、上升、左转、右转等动作的限位,并给出动作到位的信号。光电开关 PS 负责检测 传送带 A 上的工件是否到位,到位后机械手开始动作。3.3 控制要求1. 实现将传送带 A 的工件顺利搬运到传送带 B 。2. 为了方便机械手的位置调整,设手动、自动两种控制方式,手动时可完成手臂上升和 下降、左移和右移、手爪的抓紧和放松等功能。3. 机械手应设急停按钮4. 为了保障手爪的抓持及放松可靠, 防止手爪抓力过大或过小引起轴承的损坏或抓

29、力不 足,需要对抓持力进行监测控制。3.4 方案选择及系统配置根据以上控制要求,制定以下控制方案。本系统的输入开关量为数字信号, 直接连接 PLC , PLC 通过中间继电器对电磁阀加以控制。 系统框图如图 3-3所示 图 3-3 系统框图 3.5 PLC的硬件设计根据控制系统的功能要求,对 PLC 进行 I/O及其他资源的分配,具体分配如下图 3-4及 表 3-5所示。 图 3-4 PLC的 I/O配置表 1314 表 3-5 机内元件表图 3-6 PLC 的 I/O接线图 图 3-7 操作面板153.6 系统软件设计 顺序功能图 图 3-8 自动程序顺序功能图16图 3-9 回原点顺序功能

30、图17 18 19 20 2122 23 24 25 2627 28 第 4章 系统程序调试4.1 控制系统的程序调试步骤(1对于比较复杂的控制系统,需要绘制系统流程图,用以清楚的表明顺序和条件。(2设计梯形图,这是程序设计的关键一步,也是比较困难的一步,要设计好梯形图, 首先十分熟悉控制要求,同时还要有一定的电气设计的经验。(3将程序输入到 PLC 的用户存储器,并查找程序是否正确。(4对程序进行调试和修改,直到满意为止。4-2调试过程中注意的事项(1 数据线与计算机的接口必须要与软件的端口保持一致, 否则运行会产生通信错误问 题。(2 连接 PLC 上的输出端口对应的动作必须与程序中的输入

31、输出点的定义动作保持一致。(3 PLC 上的输入输出点都必须接入电源,连接的外部模块也必须接通电源与接地线(4由于条件有限,外部接线模块中部分用开关代替按钮,在执行点动程序注意执行完 应该将开关拨回到停止状态。对于限位开关也用普通开关代替,当执行完该步程序后,进入 下一个步,需要将限位开关拨回 OFF 状态。4-3 系统中调试结果整个系统要求实现的功能有两项:自动运行与手动运行。其中,手动功能基本是实现了,自动功能出现程序设计基本上没有什么问题,部分功能 运行起来,有些功能在实现上还需做些优化改进,部分功能实现参见以下相关图。29图 4-1 手动程序中下降运行30 图 4-2 自动程序中下降运行