基于PLC的机械手臂控制课程设计(共41页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计说明书 课 程 名 称:电气控制PLC课程设计 课 程 代 码: XXXXXXXX 题 目:基于PLC机械手控制系统 学 生 姓 名: X X 学 号: XXXXXXXXXXXXX 年级/专业/班: XXXX级电气自动化X班 学院(直属系) : XXXXXXX学院 指 导 教 师: X X 学院名称： XXXXXX 专业： XXX 年级： 2013级 机械手控制系统设计一、 选题背景及题目来源工业实际项目，可在天科TKPLC-A实验装置机械手装置的模拟控制实验区完成本模拟实验。二、训练目的（1）通过使用各基本指令，进一步熟悉掌握PLC的编程和程序调试；（2）学

2、会绘制电气原理图及接线图；（3）选择电气元器件；（4）完成系统硬件和软件设计；（5）完成模拟实验；（6）编写技术文件。三、要求实现的功能启动机械手，将物体从A处移动到B处，机械手将完成原位、下降、抓取、上升、右移、下降、放松、上升、左移、循环或者回到原位动作过程。在执行动作时由限位开关对机械手位置进行控制，并且由双线圈二位电磁阀推动气缸完成。提出改进方案：在机械手夹紧过程进行探究，增加压力传感器用于机械手爪压力并进行反馈控制；增加超声波传感器检测物体是否滑落。当物体出现滑落或操作错误时发出报警等。四、实验设备1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台2、天科TKPLC-A

3、实验装置3、机械手模块五、设计任务（1）根据控制要求分析控制及动作过程，设计硬件系统；（2）绘制电气原理图及PLC I/O接线图；（3）设计软件系统；（4）组成控制系统；（5）进行系统调试，实现（三）所要求的控制功能，完成模拟实验。（6）撰写课程设计说明书。六、参考资料1、天科TKPLC-A实验装置实验手册2、S7-200可编程序控制器手册，西门子技术服务中心，四川省机械研究设计院，2000.93、现代电器控制及PLC应用技术第2版，王永华，北京航空航天大学出版社指导教师： XX 签名日期： 2015 年 06 月 1日 专心-专注-专业摘要可编程控制器是一种以微处理器为核心的工业控制装置。它

4、采用了可编程序的存储器，可以再其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时器、计数器和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的设备或生产过程。可编程控制器结构简单、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，应用范围广。 本课题设计了机械手控制系统。主要应用于机床加工工件的装卸，装配印制板电路板，组装零部件；劳动条件较差，危险等场合。采用西门子公司S7-200系列，CPU224型PLC进行实验，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，并通过TKPLC-A型可编程控制器实验箱机械手装置模拟控制实验区完成本模拟实验。主要功能是循环地将物件从A地运往B地。

5、为了使动作操作更加准确，加入压力传感器、超声波传感器，进行检测改进。该装置涵盖了可编程控制技术、位置控制技术、检测技术等。由PLC接收来自外部的输入信号（包括开关机、限位指令、传感器信号指令等），并控制双线圈二位电磁阀来控制机械手的夹紧和松开。在设计过程中，包括流程图、原理图、主电路图。关键词：PLC、机械手、传感器、检测技术目录引言为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的

6、介质，以至现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所以为了帮助相关行业，特别是中小型企业实现物件搬运的自动控制，机械手的自动控制势必是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC 的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而机械手的控制更常见于工业生产中，几乎大部分的工厂都离不开机械手，其应用领域广。 计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。1968 年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器

7、便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用继电器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。该公司于1969 年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），简称PLC（有的称为PC),并在GM 公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。PLC 一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外技术人员和工商业

8、界厂商的极大关注，生产PLC的厂商云起。随着大规模集成电路和微处理器在PLC 中的应用，使PLC 的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。采用基于 PLC 的控制系统来取代园林单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性，对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔是市场前景。用PLC 进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要它，例如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、机械手系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC 来

9、取代传统的继电器控制。本次设计是将PLC 用于机械手的设计的控制，对学习与实用是很好的结合。第1章 机械手控制系统方案设计1.1方案设计原则整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编号按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则: (1) 最大限度地满足被控对象的控制要求；(2) 保证PLC控制系统安全可靠；(3) 力求简单、经济、使用及维修方便；(4) 适应发展的需要对于本课题来说，机械手

10、抓动作过程和抓取物件的控制与升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。要实现整个机械手控制系统的设计，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。1.2 系统的整体设计要求在该机械手控制系统中，需要完成抓取、移动、放松、回到原位等功能，控制要求如下： 机械手动作流程图1、下降抓取物体过程：按下启动开关，机械手下降，当下降到位时，闭合下限位开关SQ1，机械手停止下降，机械手抓紧物体，并持续夹紧动作

11、。2、上升移动过程：机械手夹紧物体，上升到位时，闭合上限位开关SQ2，机械手停止上升，并保持夹紧动作。3、右移过程：持续夹紧物体，向右移动，当右移到位时，闭合右限位开关SQ3，机械手停止右移。4、下降放松过程：机械手持续夹紧物体，下降到位时闭合下限位开关，机械手停止下降。此时，放松放下物体。5、回到原位过程：放下物体后，机械手回升，当回升到位时，闭合上限位开关，机械手停止回升，并向左移动，当左移到位时，闭合左限位开关，机械手停止左移。6、循环过程：在不出意外，正常运行的情况下，循环以上过程。1.3控制系统的设计就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、工业控制计

12、算机控制、可编程控制器控制。本系统的设计我们采用可编程控制器控制。1.3.1 继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。1.3.2 单片机控制单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控

13、领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。但是，单片机是一片集成电路，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。1.3.3 工业控制计算机控制工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。且其外部I/O 接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。1.3.4 可编程序控制器控制可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置

14、，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。程控制器(PLC)从上个世纪70 年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30 多年来微电子技术的不断发展，PLC 也通过不断的升级换代大大增强了其功能。现在PLC 已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。由PLC 为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、

15、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。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。2、运动控制PLC可用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能。3、闭环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。4、数据处理现代PLC具有数学运算、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

16、及处理。5、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。根据本控制系统的控制要求应该选择可编程序控制器控制。综上所述，由于PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高，是目前工业自动化的首选控制装置。故选择PLC来实施本次设计。第2章 机械手控制系统的硬件设计2.1 硬件选型2.1.1 PLC 机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价

17、格比。具体应考虑的因素如下所述：1结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC 能够达到要求。2功能强、弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200 系列机或欧姆龙公司的COM1。3机型统一PLC 的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC 的I/O 和CPU 放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结构的PLC 功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制

18、系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。一个大型企业选用PLC 时，尽量要做到机型统一。由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC 联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。4是否在线编程PLC 的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。PLC 的编程分为离线编程和在线编程两种。离线编程的PLC，其主机和

19、编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。5PLC 的环境适应性由于PLC 是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC 都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般PLC及其外部电路（I/O 模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：温度：工作温度055，最高为60储存温度： -4085湿度：相对湿度5%95%(无凝结霜)振动和冲击： 满足国际电工委员会标准电源：交流220V，允许变化范围为-15%15%，频率为4753Hz瞬间停电保持l0ms环境：周围空气不能混有可燃性、爆炸性

20、和腐蚀性气体对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。2.1.2 PLC 容量选择PLC 容量包括两个方面：一是I/O 的点数；二是用户存储器的容量（字数）。PLC 容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O 乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。各种指令占存储器的字数可查阅PLC 产品使用手册。I/O 点数也

21、应留有适当裕量。由于目前I/O 点数较多的PLC 价格也较高，若备用的I/O 点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O 点数按实际需要的10%15%考虑备用量。2.1.3 I/O 模块的选择PLC 是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O 接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。同时控制器又通过I/O 接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备

22、或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC 的CPU 所处理的信息只能是标准电平，所以I/O 接口模块还需实现这种转换。PLC 从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC 的I/O 接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC 相应有许多种I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。1确定I/O 点数I/O 点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O 点数

23、就可能有所不同。2开关量I/O标准的I/O 接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。典型的交流I/O 信号为24240V（AC），直流I/O 信号为524V（DC）。3选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：一是根据现场输入信号与PLC 输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V 以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V 电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32 点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的6

24、0%。4选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。2.1.4 电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处

25、理器模块、I/O 模块、专用模块等消耗电流的总和。以下步骤为选择电源的一般规则：1确定电源的输入电压；2将框架中每块I/O 模块所需的总背板电流相加，计算出I/O 模块所需的总背板电流值；3I/O 模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：1） 框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；2） 当框架中带有远程适配器模块或扩展本地 I/O 适配器模块时，应加上其最大电流值。4如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理；1） 列出将来要扩展的 I/O 模块所需的背板电流；2） 将所有扩展的 I/O 模块的总背板电流值与步骤。5在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。6根据确定

26、好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。具体应考随着 PLC 技术的发展，PLC 产品的种类越来越多，而且功能也日益完善。PLC 的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，当然使用场合也有所不同。因此选择合理的PLC 对提高PLC 控制系统技术经济指标意义重大。因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑：1）合理的结构形式2）安装方式的选择3）相当的功能要求4）系统可靠性的要求综上所述，根据控制系统要求选择 S7-200系列PLC，S7-200系列PLC属于小型整体式结构的PLC，本机自带RS485通信接口，内置电源和I/O 接

27、口，它的结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时性和通信能力强大，便于操作，易于掌握，性价比高，是中小规模控制系统的理想控制设备。2.2 机械手的基本构造及PLC I/O点分配2.2.1 系统组成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 机械手控制系统关系框图2.2.2 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。实物图如图2-2，各部分简化结构如图2-3所示。执行机构手部驱动系统动力源手腕控制调节装置手臂辅助装置立柱控制系统程序控制系统行走机构

28、定位控制系统机座位置检测装置表2-1 机械手各部分组成列表 图2-2 实物图 图2-3 各部分结构图（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）立柱立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称可移式立柱。（3）手臂手臂是支撑被抓物件、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

29、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）手腕手腕式连接手部和手臂的部件，并可用调整被抓去物件的方位。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手的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转勇董事在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。（5）手部手部即与不加接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为加持是和吸附式手部。夹持式手部由手指和传动机构所组成。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

30、和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较为广泛。平移型应用较少，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去物件的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。（6）行走机构当工业机械手需要完成胶原距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚动、轨道灯行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚动运行则应另外增设机械传动装置。2.2.3、机械手PLC的模拟实验面板图中的启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀的原位指示灯用发光二极管来模拟。2

31、.2.4 机械手PLC的I/O分配1、PLC的I/O口接线图：（如下图）2、经过系统控制功能分析，本设计需要输入点6个，输出点7个。共计13个，具体如下表：表2-2输入接线SDSQ1SQ2SQ3 SQ4输出接线YV1YV2YV3YV4YV5HLLEDI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.62.3 主电路的设计2.3.1 机械结构和控制要求模拟实验面板图中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，

32、即使线圈再断电，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，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作，即为：原位 下降 夹紧 上升 右移 左移 上升 放松 下降2.3.2 主电路图的设计在我们分析与讨论过程中，画出主回路原理图如图2-3所示。本次主电路设计运用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。该电路带有短路保护、过载保护、欠压和失压保护等。FU为熔断器实现短路保护，BB热继电器实现过载保护，欠压和失压保护依靠接触器本身实现。在控制线路中KM1/KM2、KM3/KM4、

33、KM5/KM6两两之间应设计互锁控制线路如图2-5（其余以此类推）图2-4 主回路原理图图2-5 KM1和KM2互锁控制线路表2-3 机械手工作状态表接触器触电工作状态KM2、KM4线圈得电原位指示灯亮表明机械手工作在原点位置最左边和最上边KM1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KM5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KM2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KM3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KM4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KM6线圈得电主触点闭合模拟指示灯接通，机械手工作在放松位置

34、第3章 机械手控制系统的软件设计3.1程序设计的一般方法3.1.1 经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。经验设计法的具体步骤如下：1确定输入/输出电器；2确定输入和输出点的个数、选择PLC 机型、进行I/O 分配；3做出系统动作工程流程图；4选择PLC 指令并编写程序；5编写其它控制要求的程序；将各个环节编写的程序联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。3.1.2 逻辑设计法继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合

35、，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC 程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。3.1.3 顺序设计法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。综上所述，本控制系统采用顺序设计法设计。3.2 PLC 控制的相关流程图3.2.1 控制流程图机械手控制系统的循环

36、过程如下图3-1；机械手系统控制流程如下图3-2图3-2 机械手控制流程图3.3 可编程控制器梯形图3.3.1可编程控制器梯形图简介标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点 1. 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线，左边画输入、右边画输出。 2. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关，也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 3. 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 4. 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结

37、果供CPU 内部使用。 5. PLC 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当作条件使用。 梯形图的编制采用STEP7Micro/WIN32软件，STEP7Micro/WIN32软件是西门子S7-200PLC 的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态，该软件具有 Windows 应用软件的通用界面,易学易用。3.3.2 相关程序段1、机械手原位程序2、下限位指示灯的显示3、移位脉冲：当I0.0=1时，产生移位信号；当I0.1=1，停止下降，并产生移位信号，机械手抓取物件，定时器延时1.7s，当下一

38、个移位信号来时，执行上升和保持夹紧动作；I0.2=1，机械手停止上升，同时右移；I0.3=1，机械手停止右移，并执行下降动作；I0.1=1，机械手停止下降，并松开，T38延时1.5s当下一个移位脉冲到来，I0.1=0，机械手又上升；I0.2=1，机械手停止上升；I0.3断开，左移；I0.4=1,机械手停止左移，移位寄存器全部复位；完成了一个工作周期。4、T37的延时程序，延时1.7s5、当M20.0=1时，原位只指示灯亮，并闪烁，此时处于待机状态。6、T38延时程序，延时1.5s梯形图过程详细分析（完整程序见附件1，语句表见附件2）1、初始状态 当机械手处于原位时，上升限位开关I0.2、左限位

39、开关I0. 4均处于接通（“1”状态），移位寄存器数据输入端接通，使M10.0置“1”，Q0.5线圈接通，原位指示灯亮。2、控制过程如下：（1）按下启动按钮，I0.0置“1”，产生移位信号，M10.0的“1”态移至M10.1，下降阀输出继电器Q0.0接通，执行下降动作，由于上升限位开关I0.2断开，M10.0置“0”，原位指示灯灭。（2）当下降到位时，下限位开关I0.1接通，产生移位信号，M10.0的“0”态移位到M10.1，下降阀Q0.0断开，机械手停止下降，M10.1的“1”态移到M10.2，M20.0线圈接通，M20.0动合触点闭合，夹紧电磁阀Q0.1接通，执行夹紧动作，同时启动定时器T

40、37，延时1.7秒。（3）机械手夹紧工件后，T37动合触点接通，产生移位信号，使M10.3置“1”，“0”态移位至M10.2，上升电磁阀I0.2接通，I0.1断开，执行上升动作。由于使用S指令，M20.0线圈具有自保持功能，Q0.1保持接通，机械手继续夹紧工作。（4）当上升到位时，上限位开关I0.2接通，产生移位信号，“0”态移位至M10.3，Q0.2线圈断开，不再上升，同时移位信号使M10.4置“1”态，I0.4断开，右移阀继电器Q0.3接通，执行右移动作。（5）待移至右限位开关动作位置，I0.3动合触点接通，产生移位信号，使M10.3的“0”态移位到M10.4，Q0.3线圈断开，停止右移，

41、同时M10.4的“1”态已移到M10.5，Q0.0线圈再次接通，执行下降动作。（6）当下降到使I0.1动合触点接通位置，产生移位信号，“0”态移至M10.5，“1”态移至M10.6，Q0.0线圈断开，停止下降，R指令使M20.0复位，Q0.1线圈断开，机械手松开工作；同时T38启动延时1.5秒，T38动合触点接通，产生移位信号，使M10.6变为“0”态，M10.7为“1”态，Q0.2线圈再度接通，I0.1断开，机械手又上升，行至上限位置，I0.2触点接通，M0.7变为“0”态，M11.0为“1”态，Q0.2开，停止上升，Q0.4线圈接通，I0.3断开，左移。（7）到达左限位开关位置，I0.4触

42、点接通，M11.0为“0”态，M11.1为“1”态，移位寄存器全部复位，Q0.4线圈断开，机械手回到原位，由于I0.2、I0.4均接通，M10.0被置“1”，完成一个工作周期。（8）再次按下启动按钮，将重复上述动作。3.3.3 改进方案设计一、改进方案1、当发生操作错误时保持当前状态暂停工作，发出报警，手爪不松开，持续夹紧物体。2、在机械手爪处增添两个压力传感器（一个安装在横向位置（a），一个安装在纵向位置（b）和超声波，防止在夹取物体的时候压力过小或过大（采用PID控制）：（1）当压力过小时，物体滑落，超声波传感器模块（红外线测距）测定到离物体的距离增加，并立即向PLC反馈距离信号，此时PL

43、C接收信号，并对机械手发出夹紧信号，当物体不在移动时，PLC读取压力传感器的值，然后保持压力，直至移动到目的地。（2）当压力过大时，纵向位置的压力传感器（a+N）检测出物体的重量，此时与横向位置（a）的压力传感器电压进行对比，反馈回PLC，再由PLC进行处理：（注：N表示一个定值，此值是在重力的基础上加上的一定的值，原理是重力要略小于提物体的力，才能保证物体不下滑）二、改进所用到的硬件1、两个压力传感器（BF1K-3AA）（如图3-6）；2、一个超声波测距仪模块（HC-SR04）；3、PLC；4、导线及其他机械手部件。 图3-6 压力传感器（BFIK-3AA）实物图 图3-7 超声波测距测距传

44、感器（HC-SR04）实物图三、改进原理及思路1、当发生操作错误时保持当前状态暂停工作，发出报警，手爪不松开，持续夹紧物体。即当操作出现两个及以上动作：上限位和下限位开关同时闭合时，此时发生错误，则进行报警。此改进仅需要利用PLC编程即可实现，程序如下2、在机械手爪处增添两个压力传感器和超声波测距仪传感器，进行机械手夹力的控制。一个安装在横向位置（a），一个安装在纵向位置（b）和超声波，防止在夹取物体的时候压力过大或过小：（1）当压力过小时，物体滑落，超声波测距模块测定到离物体的距离增加，向PLC反馈距离信号，此时PLC接收信号，并对机械手发出夹紧信号，当物体不再移动时，PLC读取压力传感器的

45、值，然后保持压力，直至移动到目的地。（2）当压力过大时，纵向位置的压力传感器（a）检测出物体的重量， 并通过对易拉罐力的控制规律，输出一个合适的值（Nx）。（此处需要联系到实际物体的重力，表面摩擦因素，及加速时的加速度而定这个力的大小，需根据实际物体才能计算出。）四、 实验分析及设计1、机械手爪受力分析：如下图图中A为机械手爪处，F1为物件对机械手爪的弹力，F2是物件对机械手爪的摩擦力；超声波传感器的安装位置如图所示，在机械手的手掌处。2、PID反馈控制图（在此只设计出PID控制器的大致框图）3、超声波测距模块超声波发生器发生器内部有两个压电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号的频率等于压电晶

46、片的固有震荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板震动，从而产生超声波；同理，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。测距原理如图3-6所示。图3-6超声波测距原理图被测距离d=s2-(h/2)2。式中：s为超声波传播距离；h为发射探头与被接收探头之间的距离。由于s远大于h，因此可近似认为d=s，则d=s=ct/2,t为超声波与接收超声波的时间间隔，c为超声波在空气中的传播速度。在空气中，常温下超声波的传播速度是334m/s，但是其传播速度c易受空气中温度的影响。但是在被系统中不需要测量太远的距离所以影响可忽略不计。超声波放大转换电路的简图如下压力传感器放大转换

47、电路的简图如下第4章 系统调试根据设计机械手控制系统的梯形图，选用STEP7Micro/WIN32软件和天科TKPLC-A实验装置机械手模拟实验区进行调试。由于本次设计改进部分在实验面板上模拟受到限制。但是根据实验与分析，该系统是可以正常运用到实际系统中的。下图为实验的连接图1、连接好实物图后，打开实验板总开关，给PLC、实验面板供上电，下面是上电时的状态：原位指示灯亮2、按下启动按钮：原位指示灯熄灭，机械手下降并夹紧，夹紧指示灯亮。3、下限位开关闭合，下限位指示灯亮，夹紧指示灯亮4、闭合上限位开关，上限位开关指示灯亮，夹紧指示灯保持亮：5、闭合右限位开关，右限位指示灯亮，夹紧指示灯持续亮6、

48、闭合下限位开关，下限位指示灯亮；机械手放下物体，夹紧指示灯熄灭。7、闭合上限位开关，上限位指示灯亮；夹紧指示灯熄灭8、闭合左限位开关，左限位指示灯亮；夹紧指示灯熄灭。9、循环：10、或者回到原位：11、错误时，采用一个LED模拟，当LED亮时则说明出现错误。结论（1）本设计主要阐述机械手的自动控制，机械手依次完成：下降夹紧上升右移下降放松上升左移（回到原位）八个动作，实现机械手一个周期的动作，机械手的下降、上升、左移的动作转换靠限位开关来控制，而夹紧、放松动作的转换是由时间继电器来控制的。（2）尽管课程设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的使用调节，各种设备的选用标准，各种继电

49、器的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。与老师的交流沟通也使我从各种角度设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。（3）由于客观条件的限制，本设计中没有对硬件系统进行安装、对整个系统进行现场调调试和安装运行都无法完成。若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步的完善。设计总结（1）本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。（2）该机械手可以选择配置普通夹持手指，以抓取一般工件；也可更换喷射式气流负压吸盘，以吸附玻璃、地砖等板料关盘、磁盘等薄型不透气工件，使机械手的用途更多，使用范围更广。另外，该机械手既可以用于搬运小型

50、零件，也可供教学、实验使用。（3）采用电击转动，动作迅速，反应灵敏，能实习啊过载保护，便于自动控制，工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。应用电力，不会污染环境，同时成本低廉。（4）机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行实践控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。（5）如果该PLC程序再和组态监控软件连接将能更形象的表达出机械手的实时工作过程，可达到操作远程监控机械运转的效果，让操作人员远离恶劣的工作环境，但遗憾的是我们没有做出组态的动画效果。谢辞我完成这篇毕业论文，得到了许多人

51、的帮助。首先，我要特别感谢我的指导老师徐全老师。在我设计过程中，徐老师付出了大量的心血和汗水，无论是在课程设计的选题、构思和资料的收集方面，还是在课程设计的分析设计以及成文定稿方面，我都得到了徐老师细心、耐心地辅导和热情的帮助，他指导我说明书一定要严格按照毕业设计的格式去写，并且要有自己的观点和看法。他广博的学识、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风深深影响了我，使我终身受益。在此我表示真诚地感谢。同时要感谢的是我们组的成员在做毕业设计中给予了许多的有益建议和热情的帮助，让我开阔了思路。经过努力，我们顺利的完成了机械搜控制系统的设计。这是对我们所学知识的一次综合运用，通过设计巩固了专业理论知识，培养和提高了独立分析能力，同时也培养了团队协作能力。同时也使我深刻的体会到了时间和理论的区别与联系，让我明白怎么样才能把理论应用于时间，在这次实训中，我得到了锻炼，但是也感觉到了自己