机械手控制系统设计样本

摘要当今自动化技术发展迅速，正处在一种迅速变革时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等各种不同工业领域都面临着日益激烈全球竞争压力，她们需要进一步减少成本、缩短产品生产周期，并可以迅速完毕产品更新换代。而采用最新自动化技术正是解决这一系列问题有效手段。随着机器人技术不断发展，机器人在工业生产上应用越来越广泛。运用工业机器人提高自动化限度、减少生产成本是十分必要和有效。正是在这种背景下，该课题试图研发就是运用机器人技术分支工业机械手解决生产过程中自动搬运物件问题。该文通过对生产基本概况分析，明确了机械手功能需求和动作流程，提出了机械手整体设计方案。采用CAD软件完毕机械手某些零部件设计，通过查找了大量资料，理解并完毕了步进电机和其驱动器选型。通过对本机械手控制流程分析，拟定本机械手采用以PLC为核心控制系统。再对机械手功能分析，设计出控制某些梯形图以及控制程序，并完毕PLCI/O点分派和硬件接线图。核心词：机械手，可编程控制器，步进电机，气动装置 AbstractToday’srapiddevelopmentofautomationtechnologyisnowinarapidchangeofthetimes.Fromthesemiconductorandconsumerelectronicsproducts，totheautomotiveandaerospacemanufacturingandlightindustryandlogisticsindustry，andsoonawiderangeofindustrialsectorsarefacingincreasinglyintenseglobalcompetitivepressures，theyneedtofurtherreducecostsandshortentheproductioncycle，andTothespeedycompletionoftheupgradingofproducts.Theapplicationofthelatestautomationtechnologyisthesolutiontothisseriesofeffectivemeasures.Withthecontinuousdevelopmentofrobottechnology，industrialrobotproductionintheapplicationofmoreandmoreextensive.Useofindustrialrobotsincreaseddegreeofautomation，reduceproductioncostsitisextremelynecessaryandeffective.Itisagainstthisbackground，thesubjectistryingtodeveloptheuseofrobottechnologybranchindustrialmachineryhandintheproductionprocesstoresolvetheproblemofautomaticallymovingobject.Basedontheproductionofbasicprofilesofanalysis，clearlythefunctionofthemechanicalhandanddemandactionprocess，amechanicalhandtotheoveralldesignoftheprogramme.CADsoftwareusedtocompletemanipulatorsomepartsofthedesign，throughtofindagreatdealofinformation，understandingandcompletedthesteppermotoranditsdriveoftheselection.ThroughthismechanicalhandcontroloftheprocessofdeterminingthemechanicalhandtoadoptPLCasthecoreofthecontrolsystem.There-analysismanipulatorfunction，tocontrolthedesignoftheladderandcontrolprocedures，andcompletedthePLCI/Ohardware，distributionandaccess.Keywords：manipulator，PLC，steppermotor，pneumaticdevice目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1工业机械手概况 11.1.1工业机械手构成 11.1.2机械手分类 31.1.3工业机械手应用状况 41.2设计任务 52机械手总体设计 62.1系统控制器选取 62.2机械手功能分析与动作流程 73系统硬件设计 103.1机械手控制系统设计硬件选型 103.2机械手控制系统硬件连接 194系统软件设计 204.1机械手控制系统状态流程图 204.2机械手控制系统程序编写 254.3机械手控制系统仿真 29总结 34参照文献 35道谢 36附录 37附录A机械手控制系统梯形图 37附录B机械手控制系统硬件连接图 481绪论1.1工业机械手概况机器人学是一门综合性新兴学科，它设计机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能学等多门尖端学科。工业机械手是机器人学一种分支，它代表了机电一体化最高成就。随着科学技术不断发展，工业机械手已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统自动化工具。广泛采用工业机械手，不但可以提高产品质量和数量，并且对保障人身安全，改进劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及减少生产成本，增进国内制造业崛起，有着十分重要意义。所谓工业机械手就是一种能按给定程序或规定自动完毕物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业机械装置，它能某些地代替人手工劳动。较高档型式机械手，还能模仿人手臂动作，完毕较复杂作业。由于机械手科学发展十分迅速，世界上对机械手还没有一种明晰，统一定义。国际原则化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以重复编程和多功能用来搬运材料、零件、工具操作机或是为了执行不同任务而具备可变化和可编程动作专门系统（Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator，devisedforthetransportsofmasteries,parts，toolsorspecializedSystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarryingoutvariedtasks）。随着国内工业机械手技术不断发展，诸多专家也建议建立自己机械手定义，国内国标GB/T12643-90也将工业机械手定义为“一种能自动定位控制，可重复编程、多功能、多自由度操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完毕各种任务作业”。1.1.1工业机械手构成一种完整工业机械手普通由执行机构、驱动——传动装置、控制系统和智能系四某些构成(如图1.1所示)：图SEQ图表\*ARABIC1.1工业机械手构成执行机构(也称操作机)是机械手赖以完毕任务实体，普通由杆件构成。驱动——传动装置涉及驱动器和传动机构两个某些，她们普通与执行机构连成一体，驱动机构普通有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动或气动装置；传动机构惯用有滚珠丝杠、谐波减速器、链、带以及各种齿轮轮系。控制系统普通由计算机和伺服控制器构成，前者发出指令协调各关节驱动器之间运动，同步要完毕编程和其她环境状况(传感器信息)、工艺规定、外部有关设备(电焊机、喷枪)之间信息传递和协调工作，后者控制各个关节驱动器，使各杆件按照一定速度、加速度和位置规定进行运动。智能系统是当前机械手系统中一种不够完善但发展不久子系统，它分为两个某些:感知系统和分析——决策智能系统，前者重要是靠硬件(各类传感器)实现，后者重要靠软件(如专家系统)实现。1.1.2机械手分类机械手从使用范畴、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面分类分别为：1.按机械手使用范畴分类：(1)专用机械手：普通只有固定程序，而无单独控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手构造较简朴，成本较低，合用于动作比较简朴大批量生产场合。(2)通用机械手（也称工业机器人）：指具备可变程序和单独驱动控制系统，不从属于某种机器，并且能自动完毕传送物件或操作某些工具机械装置。通用机械手按其定位和控制方式不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点——位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点——位控制，也可以是持续轨迹控制，普通属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故合用于中、小批生产。但因其运动较多，构造较复杂，技术条件规定较高，故制导致本普通也较高。2.按机械手臂部运动坐标型式分类：(1)直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可此先后伸缩(定为沿X方向移动)、左右移动(定为沿Y方向移动)和上下升降(定为沿Z方向移动)；(2)圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可此先后伸缩、上下升降和左右转动；(3)球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可此先后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；(4)多关节式机械手这种机械手臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂连接(肘部)以及大臂和机体连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。3.按机械手驱动方式分类：(1)液压驱动机械手，即以压力油进行驱动；(2)气压驱动机械手，即以压缩空气进行驱动；(3)电力驱动机械手，即直接用电动机进行驱动；(4)机械驱动机械手，即是将主机动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手一种驱动方式。4.按机械手臂力大小分类：(1)微型机械手，其臂力不大于1kg；(2)小型机械手，其臂力为1~10kg；(3)中型机械手，其臂力为10~30kg；(4)大型机械手，其臂力不不大于30kg。1.1.3工业机械手应用状况工业机械手最早应用在汽车制造工业，惯用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中工作;代替人完毕繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。机械手当前重要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可构成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产发展，功能和性能不断改进和提高，机械应用领域日益扩大。国内工业机械手研究与开发始于20世纪70年代。1972年国内第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年筹划(19861990)开始，国内政府将工业机器人发展列入其中，并且为此项目投入大量资金，研究开发并且制造了一系列工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合伙设计制造点焊机器人，大连机床研究所设计制造氢弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造装卸载机器人等等。这些机器人控制器，都是由中华人民共和国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发，同步一系列机器人核心部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC——PWM等等。国内工业机械手(或第一代机械手)发展重要是逐渐扩大其应用范畴:在应用专用机械手同步，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型通用机构，以便依照不同作业规定，选用不同典型机构，组装成各种用途机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范畴。1.2设计任务1.系统类型拟定本系统机械手属于简易型通用直角坐标式微型机械手，即指具备可变程序和单独驱动控制系统，不从属于某种机器，并且能自动完毕传送物件或操作某些工具机械装置。其臂部可此先后伸缩、左右移动和上下升降。驱动方式为气压驱动和电力驱动两种方式相结合，且臂力不大于1kg。2.控制器选取（见第二章第一节）。3.机械手控制系统硬件选型，重要是对机械手各种重要部件选型。4.机械手控制系统软件某些设计和仿真。2机械手总体设计2.1系统控制器选取工业机器人运动控制器是控制技术与运动系统相结合产物。在当代电子技术支持下，它普通以微解决器为核心，综合编程软件、运动轨迹控制、控制算法分析、各运动部件实时驱动等功能，达到总体运动控制效果。在运动过程中，运动控制器还需要对详细运动速度、加速度、位置误差等进行实时监控，并对有关状况做出及时反映。当前先进运动控制器重要是以微机(PC)为基本数字化控制系统、以高速数字信号解决器(DSP)为核心全数字化控制系统和以PLC为核心全数字化控制系统。(1)基于PC技术运动控制器计算机技术发展在工业控制领域也同样导致技术面貌迅速变化。工业控制机，特别是采用PC技术工业PC涌现，大大推动和增进了开放式运动控制发展。基于工业PC运动控制器可以运用PC强大软件环境和技术支持，挣脱专用封闭式控制系统束缚和不便。从软件上看，其重要作用是运用其高效运算功能、管理与监控能力以及丰富软件资源，实现更高控制算法、轨迹插补算法和补偿算法，从而丰富运动控制软件，并大大提高伺服扫描速度，提高系统辨别率，以实现最小移动单位和最大进给速度，便于用微小程序段以高速度、高精度实现轨迹形状复杂曲线或曲面。(2)基于DSP运动控制器-20世纪90年代以来，数字信号解决（简称DSP)在运动控制器中得到越来越广泛应用，这重要是由于它高速运算使得诸多复杂控制算法和功能得以实现，并且集成度高，它运用控制器自身独特硬件构造可以实现迅速硬件位置捕获功能。DSP系统具备接口以便、稳定性好、精度高、可重复性好、集成以便等长处，当前市场上已浮现了各种DSP型高档运动器，这些芯片能同步控制多轴，有己包括了运动轨迹插补运算及包具有前馈补偿功能算法，这为多轴伺服电机控制带来了极大以便。但由于DSP技术更新速度快、数学知识规定多，开发和调试工具还不完善，轨迹控制，多轴联动参数匹配等需通过编制程序来实现，掌握对机械手控制比较困难。(3)基于PLC运动控制PLC具备通用性强、使用以便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简朴等特点。随着PLC发展，浮现了更多功能强大指令，这些指令自身在单操作意义上提供了更强计算能力，特别是运动控制指令和在网络通讯方面功能更加强大，命令支持各种运动功能，实现多轴协调控制、高度集成操作及位置环和速度环闭环控制，可以满足高性能工业机器人位置和运动精度规定。虽然采用基于PC运动控制器和基于DSP运动控制器也可以实现机械手运动控制，但是采用PLC控制接线简朴，只需通过运动控制指令便可实现对机械手运动控制，由PLC构成机械手控制器，硬件配备工作量较小，无需作复杂电路板，只需在端子之间接线。因而本设计选用PLC为机械手运动控制器。2.2机械手功能分析与动作流程1.机械手功能分析机械手是机器人一种分支，在当前化生产中，机械手广泛应用于各种生产流程中作为代替人类繁重劳动以实现生产机械化和自动化，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。本设计机械手功能要是用来完毕在生产过程中工件转移，它具备手动/自动两种工作模式，还具备在断电状况下回到初始位置功能，在变化其底座使其具备移动功能时，还可以用来搬运物体。2.机械手动作流程分析本设计机械手有三种运营状态：自动运营、手动运营和回原位解决。在自动运营状态时，机械手按照既定程序依次完毕下降、抓取工件、抓取工件后上升、上升到位后右转。右转到位后下降、下降，下降到位后放松工件，放松工件后再次上升、上升到位后左转回到初始位置等待下一种工作周期到来以及完毕传送带A和B解决。在手动运营时，按动相应开关完毕规定动作。回原位解决重要是用于当需要系统手动运营或自动运营时系统不在原点状态，如果在启动系统时系统不在原点，则须先按下回原点开关使系统回到原点状态。机械手在自动运营状态下，在初始位置，由Q0.0输出控制传送带A开始转动，传送带A上检测元件光电开关对传送带上共工件进行检测，当有工件时，Q0.0输出为0，传送带A停止转动，同步控制机械手下降输出Q0.3置位，触发机械手臂下降，直到下限位行程开关SQ1被触发，Q0.3复位，下降动作停止，同步Q0.4置位，定期器C0计时2秒钟，C0计时时间到机械手上升控制输出Q0.2置位，机械手上升，工件被移走，传送带A恢复转动直到下一种工件到来，机械手上升直到上限位行程开关SQ0被触发，Q0.2复位，机械手停止上升，同步系统控制步进电机，使机械手进行右转，直到触发右限位行程开关SQ3，使右转停止，同步再次使下降控制输出Q0.3置位，执行机械手下降动作，当下限位行程开关SQ1被触发时，下降到位，Q0.3复位，下降停止，复位Q0.4，定期计数器C1计时2秒，机械手将工件放于传送带B上，定期器C1计时时间到，机械手上升控制输出Q0.2置位，机械手上升，机械手上升直到上限位行程开关SQ0被触发，Q0.2复位，机械手停止上升，同步系统控制步进电机，使机械手进行左转，直到触发右限位行程开关SQ3，使左转停止，机械手回到初始位置，完毕一种工作周期。机械手停止工作直到下一种工件到来信号触发才会进入下一种动作周期。其工作过程图如下图2.1所示：图2.1机械手工作流程图系统还设立了停止和急停系统停止方式，当按下停止按钮时，系统不会立即停止，只有在机械手回到初始位置时停止按钮命令才有效，这时系统就会停止在初始位置；当按下急停按钮时，机械手不论出于什么位置都会及时停止，这个按钮重要用于遇到紧急状况时系统紧急停车。3系统硬件设计3.1机械手控制系统设计硬件选型1.可编程序控制器选型本设计是基于PLC机械手控制系统设计，PLC即可编程序控制器，在PLC发展之初可编程序控制器名字为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），1980年，美国电气制造商协会（NEMA）将可编程序逻辑控制器正式命名为可编程序控制器。NEMA对可编程控制器定义是：可编程序控制器是一种数字式电子仪器，可以存储某些实现逻辑、定序、定期、计数和四则运算等特殊功能指令、用于控制机械和生产过程。在可编程序逻辑控制器改名为可编程序控制器（ProgrammableController）之后，可编程序控制器可以简称为PC或PLC，由于个人电脑（PersonalComputer）也简称为PC，因此人们还习惯沿用可编程序控制器老简称，即PLC，并与个人电脑简称做以区别。西门子公司是西门子是世界上最大电气和电子公司之一，它产品有小型可编程控制器西门子S7-200，大中型PLC西门子S7-300/S7-400/S7-1200等，由于其模块化和合用性，受到业界和市场广泛好评。而S7-200是一种深受市场欢迎小型模块化PLC，该系列PLC重要由CPU模块和丰富扩展模块构成。可以依照实际需要，灵活配备，，再加上其强大指令系统可以近乎完美地满足小规模系统控制规定。PLC选型中其中有一条就是必要满足所设计系统I/O需求，先将本设计系统I/O需求和I/O分派图归纳如下，以用来选取适当PLC。机械手控制系统I/O分派图如表3.1，表3.2表3.1输入口分派表名称符号地址符号符号地址启动（按钮）SB0I0.0手动左转（按钮）SB8I1.0复位（按钮）SB1I0.1手动抓紧放松（按钮）SB9I1.1停止（按钮）SB2I0.2上限位行程开关SQ1I1.2急停（按钮）SB3I0.3下限位行程开关SQ2I1.3手动/自动切换（开关）SB4I0.4左限位行程开关SQ3I1.4手动下降（按钮）SB5I0.5右限位行程开关SQ4I1.5手动上升（按钮）SB6I0.6工件检测光电开关SPI1.6手动右转（按钮）SB7I0.7表3.2输出口分派表名称地址名称地址A传送带Q0.0步进脉冲信号输入端Q0.5B传送带Q0.1PLS-正向脉冲输入负端Q0.6上升Q0.2DIR-反向脉冲输入负端Q0.7下降Q0.3ENA+脱机使能复位信号Q1.0抓紧放松Q0.4由上表可知，本系统至少需要输入口15个，输出口9个，由此可以估算系统所需内存字数为240B，在选取PLC时咱们可有两个方案，一是选取输入输出口比所需口数少CPU，例如CPU224。CPU224XP等，然后在其外围再增长1到数个输入输出扩展模块，如EM223；二是直接选取输入输出口数可以满足需求CPU，如CPU226。对于本系统依照其输入输出口规定，并综合其价格和功能使用，选取方案二。在本设计中，咱们选取西门子S7-226CN，它集成了24输入/16输出公40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模仿量I/O点。26kb程序和数据存储空间，6个独立30kHZ高速计数器2路独立20kHZ高速脉冲输出，具备PID控制，2个R5485通讯/编辑口，具备PPI通讯合同，MPI通讯合同和自由方式通讯能力，I/O端子排可很容易整体拆卸，是具备较强控制能力控制器，完全可以满足本系统规定。2.步进电机选型本系统中机械手左右旋转选取步进电机作为执行机构，步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)机电元件。对这种电机施加一种电脉冲后，其转轴就转过一种角度，称为一步；脉冲数增长，角位移(或线位移)就随之增长，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就高，反之就低;分派脉冲相序变化后，步进电机转向则随之而变。步进电机运动状态和普通匀速旋转电动机有一定差别，它是步进形式运动，故也称其为步进电动机。步进电机有其独特长处，归纳起来重要有：（1）步距值不受各种干扰因素影响。简而言之，转子运动速度重要取决于脉冲信号频率，而转子运动总位移量取决于总脉冲个数。（2）位移与输入脉冲信号相相应，步距误差不长期积累。因而可以构成构造较为简朴而又具备一定精度开环控制系统，也可以在规定更高精度时构成闭环控制系统。（3）可以用数字信号直接进行开环控制，整个构造简朴便宜。（4）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。（5）控制性能好。起动、停车、反转及其他运营方式变化，都在少数脉冲内完毕，在一定频率范畴内运营时，任何运营方式都不会丢步。（6）停止时有自锁能力。（7）步距角选取范畴大，可在几角几分至180度大范畴内选取。在小步矩状况下，普通可以实现超低速下高转矩稳定运营。本系统选取由PLC控制步进电机转动实现，步进电机选用混合型二相步进电机2HB57，2HB57系列步进电机输出力矩0.39N.M-1.5N.M,步距角可以通过步进驱动器上拨码开关进行设立，2HB57广泛应用于数控机床、激光雕刻、电脑绣花、纺织、印刷、包装机械、标记机、雕刻机、绕线机械、坐标测量仪器、三维工作台、机器人、医疗设备、陶瓷机械等行业中。2HB57系列技术数据参照如表3.3所示：表3.3技术数据(Specifications)型号步距角保持转距（Nm）额定电流(A)相电阻（欧）相电感(mH)电机重量(kg)2HB57-410.9°0.392.01.41.40.452HB57-510.723.01.650.90.652HB57-560.93.00.751.10.72HB57-761.353.01.01.61.03.步进驱动器选取（1）步进驱动器选取MB450两项混合是步进电机驱动器，MB450采用直流18~50V供电，适合驱动电压24~50V，电流不大于4.2A两相混合式步进电机，此驱动器采用交流伺服驱动器电流环进行细分控制，电机转矩波动很小，低速运营很平稳，几乎没有振动和噪音。其重要特点如下：1）平均电流控制，两项正弦电流驱动输出。2）直流24~~50V供电。3）光电隔离信号输入/输出。4）有过压、欠压。过流、相间短路保护功能。5）十六档细分和自动半流功能。6）八档输出相电流设立。7）具备脱机命令输入端子。8）电机扭转矩与它转速关于，而与电机每转步数无关。9）高启动转速。10)高速力矩大。（2）控制方式选取步进驱动器MB450上拨码开关SW4位可设立成两种控制方式：当设立成“OFF”时，为有半流功能。当设立成“ON”时，为无半流功能。（3）设立输出相电流，为了驱动不同扭矩步进电机，顾客可以通过驱动器面板上拨码开关SW1、SW2、SW3为来设立驱动器输出相电流（有效值），单位A。详细如表3.4所示：表3.4MB450出相电流设立输出电流（A）SW1SW2SW3PEAKRMSONONON1.000.71OFFONON1.461.04ONOFFON1.911.36OFFOFFON2.371.69ONONOFF2.842.03OFFONOFF3.312.36ONOFFOFF3.762.69OFFOFFOFF4.203.00（4）设立电机每转步数驱动器MB450A可将电机每转步数分别设立为400、800、1600、、3200、4000、5000、64000、8000、10000、12800、0、25000、25600步，顾客可以通过驱动器正面板上拨码开关SW5、SW6、SW7、SW8为来设立驱动器步数（如下表3.5所示）：表3.5步进驱动器步数设立SW5状态OFFONOFFONOFFONOFFONSW6状态ONOFFOFFONONOFFOFFONSW7状态ONONONOFFOFFOFFOFFONSW8状态ONONONONONONONOFF步数40080016003200640012800256001000SW5状态ONOFFONOFFONOFFOFFSW6状态OFFOFFONONOFFOFFONSW7状态ONONOFFOFFOFFOFFONSW8状态OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF步数400050008000100000250000这里咱们选用每转400步，即设立SW5—SW8为0111,步距角为0.9°。步进驱动器控制方式选取SW4为OFF，设立输出相电流为SW1-SW3为110，输出相电流为2.84A。4.气缸选取引导活塞在其中进行直线往复运动圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等壳体普通也称“气缸”。气缸应用领域：印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等等。英文名：Cylinder将压缩空气压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。气压传动中将压缩气体压力能转换为机械能气动执行元件。气缸有做往复直线运动和做往复摆动两类。做往复直线运动气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。①单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产气愤压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。②双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一种或两个方向输出力。③膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一种方向输出力，用弹簧复位。它密封性能好，但行程短。④冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体压力能转换为活塞高速(10～20米/秒)运动动能，借以做功。冲击气缸增长了带有喷口和泄流口中盖。中盖和活塞把气缸提成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等各种作业。做往复摆动气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角不大于280°。此外，尚有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。在本系统中用到气缸地方分别为机械手臂上升和下降、机械手爪抓紧放松，前者选取类型为双作用气缸，即从活塞两侧交替供气，在一种方向上输出力；后者重要是气爪，它属于但作用气缸，即将气缸往复运动经连杆转换为机械手爪沿轴运动，以用来抓取工件，当通电结束时，重要靠弹簧来恢复原位。机械手上升和下降咱们选取TMAL-U25*500--FB，即金泰气动液压公司复动型气缸，后盖形式为平尾式，内径为25mm，原则行程为500mm，不附带磁石，固定形式为后盖固定，其内径和行程对比表如下表3.6所示：表3.6内径和行程对比内径（mm）原则行程（mm）最大行程（mm）容许行程（mm）16255075100125150175200250300500800202550751001251501752002503005008002525507510012515017520025030035040050080012003225507510012515017520025030035040050080012004025507510012515017520025030035040050012001500机械手抓取放松工件，咱们选取MTI-12*75—U，即单动引入型迷你气缸，缸径为12mm，行程为75mm，进气形式为径向进气型。5.电磁阀选型由于在本系统中，气缸类型有两种，第一种重要是为了满足机械手上升下降控制需求，即一种线圈通电，气缸向一种方向运动，当换另一种线圈通电时，气缸相反方向运动。第二种是电磁阀直接控制气缸运动，机械手抓紧工件，当线圈通电结束时，气缸自动复位，机械手放下工件。因此，电磁阀类型也有两种。一种是两位三通电磁阀，就是一种进气口，两个出气口，依照不同电磁阀状态将不同出口启动和关闭。对于这种咱们选取3V-2DC24V，3V代表三方口电磁阀，2代表系列号为200系列，20代表双线圈双位置型式。08代表其接管口径为PT1/4，DC24V表达其原则电压为直流24V。它重要是用来控制机械手上升和下降。另一种是选取单线圈双位置电磁阀，3V-21008DC24，与上面型号有某些差别，10代表此型号电磁阀形式为单线圈双位电磁阀。依照它功能不难看出，它重要是用来控制机械手抓紧放松工件气缸。6.光电开关选取光电开关（光电传感器）是光电接近开关简称，它是运用被检测物对光束遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接受器再依照接受到光线强弱或有无对目的物体进行探测。安防系统中常用光电开关烟雾报警器，工业中经惯用它来记数机械臂运动次数。光电开关可分为对射型；漫反射型；镜面反射型；槽式光电开关；光纤式光电开关。（1）对射型：由发射器和接受器构成，构造上是两者互相分离，在光束被中断状况下会产生一种开关信号变化，典型方式是位于同一轴线上光电开关可以互相分开达50米。特性：辨别不透明反光物体；有效距离大，由于光束跨越感应距离时间仅一次；不易受干扰，可以可靠适当使用在野外或者有灰尘环境中；装置消耗高，两个单元都必要敷设电缆。（2）漫反射型：是当开关发射光束时，目的产生漫反射，发射器和接受器构成单个原则部件，当光电开关有足够组合光返回接受器时，开关状态发生变化，作用距离典型值始终到3米。特性：有效作用距离是由目的反射能力决定，由目的表面性质和和颜色决定；较小装配开支，当开关由单个元件构成时，普通是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目的上灰尘敏感和对目的变化了反射性能敏感。（3）镜面反射型：由发射器和接受器构成状况是一种原则配备，从发射器发出光束在对面反射镜被反射，即返回接受器，当光束被中断时会产生一种开关信号变化。光通过时间是两倍信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特性：辨别不透明物体；借助反射镜部件，形成高有效距离范畴；不易受干扰，可以可靠适当使用在野外或者有灰尘环境中。（4）槽式：槽式光电开关普通是原则U字型构造，其发射器和接受器分别位于U型槽两边，并形成光电开关光轴，当被检测物体通过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠适合检测高速变化，辨别透明与半透明物体。（5）光纤式：光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域检测。普通光纤传感器分为对射式和漫反射式。本系统选取对射型光电开关，分别将发射器和接受器安装在A传送带两侧，型号选取为EE-SX772。其各种参数如下：操作模式：LIGHT-ON/DARK-ON（可用开关选取）批示灯：输出及电源：红色LED，稳定操作：绿色LED输出控制：NPN或PNP:最高100mA（40V），剩余电压：最大1V保护电路：逆电流保护，过电流保护，过电压电源：12至24VDC±10%消耗电流：最大35Ma防护级别：IP67环境光度：白炽灯：最大5，000lux,日光：最大20,000lux环境温度：-20至+55℃，无冻结相对湿度：35至85%，无凝结外壳：玻璃纤维强化树脂重量（含2m连接器电缆）：约50g7.行程开关选取行程开关，位置开关（又称限位开关）一种，是一种惯用小电流主令电器。运用生产机械运动部件碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定控制目。普通，此类开关被用来限制机械运动位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动来回运动等。在电气控制系统中，位置开关作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态检测。用于控制机械设备行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳构成。本系统选取行程开关型号为LX23-322S，其额定电流为5A，动作行程为1～2.5mm3.2机械手控制系统硬件连接机械手控制系统硬件连接重要涉及：PLC外部硬件与PLCI/O连接，各种执行机构连接方式等。机械手控制系统硬件连接图如下图3.1所示：图SEQ图表\*ARABIC3.1机械手控制系统硬件连接图本系统由交流220V频率50HZ电压经开关电源进行24V供电，输出分别驱动传送带A和B直流电机，气动电磁阀线圈KV1、KV2和KV3，步进电机输出占用四个数字量输出口。4系统软件设计4.1机械手控制系统状态流程图1.本设计机械手控制系统中辅助继电器选取及功能表如下表所示：表4.1辅助继电器选取及功能寄存器地址功能注释M0.0机械手在左边标志机械手在左边时该位始终为高电平内部断电保持M0.1机械手有工件记忆机械手抓取工件后该位置位内部断电保持M0.2机械手在右边标志机械手在右边时该位始终为高电平内部断电保持M0.3机械手在旋转记忆内部断电保持M2.0启动记忆按一下启动按钮，该位置位M2.1回原点启动记忆按一下回原点按钮，该位置位M2.2B传送带转动命令记忆条件满足，该位置位M2.3上升命令记忆条件满足，该位置位M2.4启动计时命令记忆条件满足，该位置位M2.5下降命令记忆条件满足，该位置位M2.6机械手停止记忆条件满足，该位置位设立断电保持位重要是对机械手位置进行记忆，在断电或非正常停止系统状况下，系统再次启动，断电保持位数据不丢失，以便系统进行回原点操作。而西门子PLC容许客户设立其断电保持存储区。2.机械手控制系统运营状态选取流程图如图4.1所示：图SEQ图表\*ARABIC4.1机械手运营状态选取流程图如图所示，机械手在启动前有两种运营状态，正常启动状态和回原点运营状态。当机械手在启动前在初始原位时，直接按动启动按钮I0.0，系统正常启动；当系统启动前不在初始原位，先按动回到初始原位按钮I0.1，系统进入回到初始原位操作，当系统回到初始原位后，由上限位开关和左限位开关及CPU内部用于记忆抓取放松工件状态位寄存器M0.1,共同触发这种运营状态停止，并回到初始原位状态等待下一种命令到来。在正常状态下，则系统也有两种运营模式，自动运营状态模式和手动运营状态模式。在系统按下启动按钮I0.0后若开关I0.4处在ON状态，则系统进入自动运营状态；当开关I0.4处在OFF状态，系统进入手动运营模式，在手动运营模式下，系统运营相应按钮进行控制。I0.2是系统停止按钮，当I0.2按下时系统记忆其命令状态，在系统回到初始原位时，系统停止运营并回到初始状态。3.回原点程序顺序功能图如下图表4.2所示：图4.2回原点程序状态转移图在系统初始状态时，系统也许由于某些因素使得机械手不在初始原位，在这种状况下，需要先对系统进行回原位操作，然后才干正常启动系统。在本系统设计中，将I0.1设立为回原位按钮，按下回原位按钮时，系统禁止启动手动或自动运营模式，转而执行回原位程序，如上图所示，其中M0.0。M0.1、M0.2、M0.3设立具备断电保持（1）当M0.1为高电平时有三种状况：1）M0.0为高电平时，拟定机械手是抓取工件后左边上升过程中，这个时候，机械手要依次完毕上升、右转、下降、放松工件、上升、左转这一种周期工作并退出回原位子程序。2）当M0.3状态为1时，则阐明机械手停在了系统抓取工件后向B带转移工件过程右转阶段，机械手就会相继完毕右转、下降、放下工件、上升、左转这一系列过程，然后停在初始原位并退出程序。3）当M0.2状态为高电平时，阐明机械手在右边下降放取工件过程中，这个时候机械手继续依次完毕下降。放工件于B传送带上、上升、左转回到原点这一系列过程然后退出回原点程序。（2）当M0.1为低电平时也有三种状况：1）M0.0为高电平时，系统在由原点下降去抓取工件过程中，机械手只要执行一种上升命令就可以回到初始原位，然后自动退出回原点程序状态。2)当M0.2为高电平时，系统在右位放下工件后上升动作过程中，这时机械手依次执行上升、左转就可回到初始原位然后退出回原点程序执行。3）当M0.3为高电平时，机械手在放下工件后回原点过程左转阶段，机械手执行左转动作后直接可以回到初始原位，然后自动退出回原点子程序执行。在上述过程中，B传送带会依照相应过程来拟定与否执行旋转动作。回原点程序以子程序形式执行，M2.1在I0.1按下一次后就置位，同步引导系统调用回原点子程序，当系统回到初始原位后，系统依照内部辅助继电器和外部行程开关状态来拟定与否退出回原点子程序。本系统中是当M0.1为低电平、I1.2和I1.4为高电平时系统由子程序返回主程序。4.自动运营程序顺序功能图如下图4.3所示：自动运营程序执行一方面是系统在初始原位状况下按动启动按钮，然后是将手动/自动切换开关I0.4闭合，系统进入自动运营模式。在自动运营模式启动后，系统在初始原位等待直到A传送带上有工件到来，光电开关检测到工件到来，将输入映像寄存器I1.6置位高电平，系统下降动作触发，机械手下降，直到下限位行程开关被触发，下降停止，同步置位抓取工件记忆M0.1并执行抓取动作，这个时候内部计时器T32使能端置1，计时开始，2s后计时时间到机械手上升触发，当上升直到上限位行程开关被触发时，上升停止，同步复位M0.0，置位M0.3，系统执行右转动作，右转到位，右限位行程开关被触发，系统将M0.3复位，置位M0.2，同步执行下降动作，下限位行程开关被触发，下降停止，机械手复位M0.1并放松工件，定期器T32再次工作，计时2s时间到，机械手上升，直到上限位行程开关被触发，上升停止，系统复位M0.2，置位M0.3，系统执行左转动作，同步B传送带开始转动将工件移走，机械手左转到位，完毕一种动作周期，停在初始原位，等待下一种工件到来。图4.3自动运营顺序功能图5.手动运营程序顺序功能图如下图4.4所示：系统正常启动后会自动进入手动运营模式，即在开关I0.4未闭合系统是默认手动运营模式，这时分别按住I0.5、I1.1、I0.6、I0.7、I0.5、I1.1、I0.6、I1.0执行机械手下降、抓取工件、上升、右转、下降、放下工件、放下工件后上升和左转动作。A传送带和B传送带转动和停止同自动运营程序相似，即B传送带是在放下工件后机械手上升到右边上限位后开始旋转，回到初始位置后停止，A传送带启动在系统启动后便始终开始，停止是在光电开关检测到有工件位于指定位置后执行，直到工件被移走之后回答转动。图4.3手动运营顺序功能图在上述各顺序功能图中没有涉及急停按钮，急停按钮是在当系统发生故障时对系统紧急停车，当按一下急停按钮I0.3时，所有正在执行命令都被禁止，系统停止运营，机械手停在当前状态。上图第一种M0.1是它被置位，第二个M0.1是复位条件。4.2机械手控制系统程序编写开发S7-200系列PLC顾客程序需要一台编程器，并将其和CPU模块连接起来，编程器可以是专用编程器，也可以是装有编程软件PC，后者更普遍某些。，在输入程序时，普通PC与CPU模块是通过PC/PPI通信电缆连接起来。西门子S7-200系列PLC使用是STEP7-Micro/WIN系列编程软件。本次编程使用编程软件是STEP7-Micro/WIN系列V4.0版本，如下图4.5所示：图4.5STEP7-Micro/WIN系列V4.0版本其操作界面如图4.6所示，各某些重要功能简介如下：（1）浏览条，浏览条显示编辑特性按钮控制群组。“视图”按钮控制群中重要有程序块、符号表、状态图、数据块、系统块、交叉引用及通信显示等按钮控制。“工具”按钮控制群中重要有显示指令向导。TD200向导、EM253控制面板和调制解调器扩充向导等按钮控制。（2）指令树，指令树以树形视图形式为顾客列出所有项目对象和当前程序编辑器（LAD、FBD、或STU）所需所有指令。通过用鼠标右键单击指令树中响应文献夹可以进行插入附加程序组织单元（POU）、设立密码保护、打开/删除/编辑POU属性表，以及重新命名子程序及终端程序操作。（3）菜单栏，菜单栏容许使用鼠标或快捷执行操作。可以定制“工具”菜单，在该菜单中增长自己工具。（4）工具条，工具条为最惯用STEP7-Micro/WIN操作提供便利鼠标存取，可以定制每个工具条内容和外观。（5）数据块，数据块容许顾客显示和编辑数据块内容。（6）状态表，状态图窗口容许顾客将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。可以建立各种状态表，以便从程序不同某些检视组件。每个状态图在状态表窗口中有自己标记。（7）交叉引用，交叉引用容许顾客检视程序检查引用和组件使用信息。（8）符号表，符号表窗口容许顾客分派和编辑全局符号（即可以在任何POU中使用符号值，不只是建立符号POU）。可以建立各种符号表，可以在项目中增长一种S7-200系统符号定义表。（9）程序编辑窗口，程序编辑窗口包括用于该项目编辑器（LAD、FBD或DTL）局部变量表、程序和视图。如果需要，顾客可以拖动分割条，扩充程序视图，并覆盖局部变量表。当顾客在主程序一节（OBI）之外建立子例行程序或终端例行程序时，标记出当前程序编辑窗口底部。可单击该标记，在子程序，中断和OBI之间移动。（10）状态栏，当STEP7-Micro/WIN中操作时，状态栏会提供操作状态信息。（11）输出窗口，当编辑程序或指令库时，输出窗口会提供信息，当输出窗口列出程序错误信息时，双击错误信息，会在程序编辑窗口中显示恰当网络。（12）局部变量，局部变量表包括对局部变量所进行赋值（即子例行程序和中断例行程序使用变量）。在局部变量表中建立变量使用暂时内存。地址赋值由系统解决，变量使用仅限于建立此变量POU。STEP7-Micro/WIN操作界面如图4.6所示，其触点、线圈和指令盒指令如图4.7所示：图4.6STEP7-Micro/WIN-V4.0操作界面图4.7STEP7-Micro/WIN操作指令在STEP7-Micro/WIN-V4.0上编写程序之前，要一方面设立PLCCPU类型，STEP7-Micro/WIN-V4.0中有各种CPU类型可选，选取方式为，打开STEP7-Micro/WIN-V4.0，在操作面板上“PLC”下拉菜单中“类型”，来选取自己所需要CPU类型。完毕程序后来，将编写程序保存为“.mwp”格式，以备将来查看，然后在操作面板上“PLC”下拉菜单里选取所有编译，编译成功，阐明所编程序没有语法上错误。编译成功后，你可以选取将所编程序导出两种格式，一种是所有