电气工程及其自动化毕业设计 基于PLC的机械手控制系统设计

基于PLC的机械手控制系统设计论文提纲一、绪论（一）论文研究的目的和意义（二）主要研究内容及关键问题二、机械手分析（一）机械手技术简介（二）机械手工作环境分析（三）机械手结构分析1.基座2.立柱3.手臂4.手腕5.行走机构（四）机械手臂的注意点1.握力足够2.存在开闭角3.定位无误4.强度、刚度5.手指的多功能性（五）PLC技术简介1.PLC硬件接线2.PLC的工作原理三、机械手控制系统设计（一）机械手整体设计要求（二）机械手控制系统的硬件设计1.PLC机型选择2.PLC容量选择3.I/O模块的选择4.电源模块的选择四、机械手PLCI/0点分配、主电路设计、控制流程图及梯形图（一）机械手PLC的I/0分配（二）主电路的设计1.机械结构和控制要求2.主电路图的设计3.相关程序结论基于PLC的机械手控制系统设计【摘要】人手作为灵活的身体部位，能够方便的抓取物体。在工业制造过程中，为了方便生产过程，就引入了机械手的应用。机械手不能够像人手一样活动自如，却可以模仿很多人手动作，能够完成人手大部分动作，如搬运、拿取等等。机械手内部安装有自动控制程序以方便控制，传动方式有液压、气压、电气控制。论文主要介绍机械手在PLC的控制下的系统，可编程控制器，可以理解为能够控制的处理器。可编程序的存储器应用于其内，可以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时报、计数和算术运算等操作的指令，输入输出方式可以为数字式或模拟式，生产环节可以很好地得到控制。本课题的机械手应用场合多样，可以用于零件组装、物件码垛、包装等劳动密集的场所。大大减少劳动力，节约用工成本。课题选用西门子公司S7-200，CPU224型PLC进行实验，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，本机械手的主要运用场合在工业流水线，用于搬运、码垛。输入信号由PLC接收，并通过双线圈二位电磁阀对机械手产生控制。【关键词】PLC，机械手，编程目录TOC\o"1-2"\h\u10372一、绪论 一、绪论（一）论文研究的目的和意义工业机械手臂，能够模仿人类的手指功能，完成特定的生产任务的机械自动化设备。机械手能够在空间内规定的轨迹上运动，以完成需要的生产任务。机械手有其重大的研究意义和目的。人类在繁重的劳动过程中，往往苦不堪言，机械手可以将人类从繁重、危险的劳动环境中解脱出来，进一步也节约用工企业的用工成本。社会科学技术都在日益进步，工业生产过程也在自动化，工业生产也在向着高科技、高效益、污染小等方面发展。在工业制造过程中，机械手无疑越来越受到人们的青睐和重视。在研究论文过程中，查阅资料得知机械手的运用有着广泛的意义：一、生产企业的机械化和自动化程度明显提升；二、人身伤亡率减少，用工成本减少；三、生产效率明显提升。虽然工业机械手的发展还不是很成熟，但随着工业自动化的迅速发展，机械手定会越来越多的被投入使用，机械手在自动化行业中也会越来越发挥着重要的作用。（二）主要研究内容及关键问题手部、运动机构和控制系统组成机械手。机架、机械臂和气爪组成手部控制环节，气爪把拿取物件作为主要任务，手指能够安装于气爪之上，这就相当于人类的手指可以灵活抓取物件，传感器也可以安装于手指之内，这样力的大小就可以很轻松感知。撑起对应的机械手及其他部分的是机械臂的任务，手臂的伸长、收缩、回转等控制可以在机械臂上得以实现。在课题的研究之初，查阅了大量的资料，熟知气动机械手的结构特点和控制方式，结构简单、经济、实用是机械手的基本要求。在查阅资料后得知，将速度控制回路、压力控制回路等最基本回路可以组合成为实现功能的气压系统图，这就构成系统的单元回路。而对于正在使用的PLC技术，是当前最为先进且实用性很好的的设计技术，在控制方案里包括伺服电机控制、数控机床的控制等，均使用PLC控制方式。在具备一定的理论知识和实践经验基础之上，利用西门子系列PLC完成程序的开发。在程序开发的过程中，也通过查阅资料和不断HYPERLINK\l"page5"1仿真以优化程序。逻辑设计法可以很好的应用于程序设计过程始终，可以根据具体的工艺和要求来编制相关程序。PLC有以下几大优点：1.灵活、通用我们只要改变很少的软件和线路就可以使控制的功能进行改变。2.可靠性高、抗干扰能力强硬件方面：我们用无触点的半导体电路和很大规模的集成电路实现微电子技术关动作，我们使用光电隔离的措施使CPU和输入输出之间电的联系隔离开。软件方面：有自己的监控程序，对强干扰的一些信号和欠电压等一些外界的环境定期的进行检查，软件有故障的时候，要保存现状态到存储器，要对存储器封闭起来保护存储器的信息；定时器WTD进行监视，对程序的循环状况进行检查，只要超出循环的时间时一定要报警；我们对程序的检验一定要非常的认真，软件在检查时发现出现程序错误时一定要输出报警方面的信息并停止程序的执行。3.使用简单我们使用的语言编程的方式是梯形图，使用梯形图的编程方式使编程很容易，程序出现问题进行更改时也更加的简单方便。输入输出的接口可以和各种各样的开关、传感器、继电器、接触器、电磁阀进行连接，我们在进行连接时连接的方式很简单。4.功能强、体积小纵向——PLC可以对各种的条件进行控制，还可以实现模电到数电的转换和实现数电到模电的转换并进行数字的运算，而且还可以完成对模拟量的控制；横向——能够实现对一台或者是几台的设备进行控制，还可以在非常远的距离对设备进行控制；重量也轻，体积也小，安装起来也非常的方便。我这次论文的主题就是使用可编程控制器PLC和触摸屏实现机械手的液压系统在运行的过程中手动、半自动和全自动的过程进行控制，也能够使控制的过程非常的准确，减少了我们对机器进行手动的操作，整个机器操作的过程变得非常的清楚。二、机械手分析（一）机械手技术简介机械手作为人手功能的补充和扩展，可以很好的运用在工业生产中，大大地提高了工业生产效率。在我国，机械手的需求量在逐年增加，到2012年底我国可以提供6万多台机械手的使用，比较于前几年供应量有很大的提升。气动技术的控制系统，能源为压缩空气获得，空气获取方式简单。机械手有诸多优点，比如设备结构比较简单、反应速度快、灵敏度高、节约能源等，最重要的一点是没有污染，很容易就可以控制，对于绿色发展理念非常契合，目前在、码垛、焊接、药品传送等方面均有较多使用。机械手的使用正在慢慢得到普及，也越来越智能化。机械手已经从传统的机械加工、搬运、焊接等应用场合，向非制造业不断扩展如采矿机器人、建筑机器人、水下作业等都已得到广泛运用。在机械手的应用过程中，网络技术、电子技术等更多的高技术都可以穿插于机械手，这就大大提升机械手的智能化水平，可以替代人类的许多工作，很大程度上减少了人力，节约用工成本。（二）机械手工作环境分析在施工环境比较恶劣的情况下（如高温、高压等），常能看到机械手的身影。机械手的使用，大大减低了人工劳动强度，将工人受伤率降至最低，很大程度上保证了工人的身体健康。本课题研究的机械手，主要运用在车间流水线锻造上，工作环境较恶劣，是高温、高压环境。机械手模仿人类手指，可以把温度较高的棒料抓取至传送带上。综上所述，机械手可以在温度高、负载较大环境中，把棒材准确无误地搬运至指定位置。如此机械手就很好地取代了工人繁重的劳动，工人的劳动条件也得以改善，工业生产率也得到显著提升。（三）机械手结构分析机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置等组成。手部、手腕、手臂和立柱等部件组成了执行机构，行走机构也有可能存在于机械手中。表2-1列出详细结构：1.基座作为机械手最基本的部位，基座承接着机械手执行机构的各部件和驱动系统，基座在支撑和连接中发挥不可替代作用。2.立柱手臂的支撑主要依靠于立柱，立柱也可以包含于手臂中，立柱可以控制手臂的前后摇摆和左右移动。在正常情况下，立柱多为固定的，特殊情况下，立柱也可以前后移动以满足工作需要。3.手臂手臂是支持被抓取物体、手部、手腕的核心构件。手臂上装有手指，手臂可以带动手指去抓取物体，同时按指定路径将其搬运到相应地点。4.手腕手腕的作用是接通手部和手臂，同时被抓取物体的方位可以通过手腕得以调整。手臂在前后伸长或收缩和上下上升或下降过程中，为了使其轴线的转动得以控制，导向装置需要安装其内，此装置可以确保手指按预定方向运动。(5）手部按照与被抓取物件的接触形式，手部可以有两种形式，有夹持式和吸附式。手指与物体直接接触，回转型和平移型是手指的常见运动方式。对于回转型手指，其结构简易，很容易制造，因此使用的也较多。而对于平移型手指的使用就比较少，这是因为平移型手指结构原理较复杂，但在夹取圆形构件时，其轴心的方位不易受到影响，故此平移型手指较适合于夹取直径变化比较大的构件。物件的表面形状、被抓部位构件的重量和尺寸大小往往决定选取哪一种结构的手指。5.行走机构在机械手需要做较远距离的操作或者将使用范围扩大时，滚动和行走结构可以安装于基座上，这样就可以实现机械手的整体运动。滚轮式行走机构主要有有轨的和无轨两种结构。（四）机械手臂的注意点1.握力足够机械手的握力是机械手的需要考虑的关键，要考虑考虑物体质量，以及惯性力和震动对握力的影响，要确保物体不至于在被抓取过程中滑落。2.存在开闭角开闭角指两个手指张开与闭合至最大位置时之间的角度，开闭角的存在，可以确保物件能够顺畅的进入或脱开。3.定位无误手指应能按照预定的方案作准确的移动，不然就失去了手指的实用价值。4.强度、刚度适合被夹持工件的反作用力、惯性力和振动会对机械手的部件产生损坏，因此机械手要有足够的强度和刚度来应对这些损坏。5.手指的多功能性手指应有多种功用，以应对不同的生产环境和工艺要求。组合式手指可以很好地满足不同形状的工件生产要求。这种手指，结构简易、安装方便。6.驱动系统机械手的驱动系统主要就是一个传动的装置，主要是用来驱动执行的机构运动的。我们经常用到的传动装置主要有四种传动方式，这四种传动方式主要包括液压传动、气压传动、电力传动、机械传动。(1)液压传动在驱动设备时主要是用油液的压力来驱动的。液压传动的主要特点就是在抓重时可以达到几百公斤以上的重量、进行传动时也很平稳、设备的结构也很紧凑、设备的动作也很灵敏。但是对机器的密封装置我们要求一定要很严格，要不然出现的泄露会使机械手的工作性能受到很大的影响，而且液压传动在工作时不适合在高温或者低温的情况下进行工作。(2)气压传动的工作原理就是用压缩的空气来使执行的机构能够运动的。主要的特点就是介质的来源是非常方便的、气压传动的动作也非常的快速、气压传动的结构非常的简单、所用的成本非常的低。但是因为空气是可以压缩的，所以气压传动在工作的时候稳定性是非常差的，而且气压传动的压力非常的低，气压传动非常适合用在一些高速、轻载、高温和粉尘非常大的环境中进行工作的。（五）PLC技术简介1.PLC硬件接线PLC技术融合了计算机技术与继电接触控制技术，PLC的产生可以很好的解决工业生产中的问题，如接线，查线难、安全性低、耗能等问题都得到很好解决，因此PLC控制技术近几年被广泛运用在电气自动化领域内。在使用PLC控制技术去控制机械手之前，应对其结构性能和工作原理有足够的认识。PLC硬件包括中央处理单元CPU(CentralProcessingUnit)、存储器、输入输出接口、电源I/O扩展接口、外部设备接口、编程器等。（1）CPUCPU作为整个PLC的最关键，是PLC的指挥，发挥着运算和控制的功用。它的主要任务是：1.判断PLC电源、内部电路的工作性能是否有异样，如果有错误则及时纠正；2.对现场输入的状态和数据汇总，并存人输入映象寄存器或数据寄存器中；（2）存储器在CPU中主要有两种类型的存储器，包括系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器的作用是存放系统程序；用户存储器由用户程序存储区及工作数据存储区组成。（3）输入输出接口输入接口通过光电耦合器件连接PLC的输入端子接收现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接收和处理的数字信号。（4）电源、编程器、I/O扩展接口、外部设备接口等。2.PLC的工作原理PLC工作过程主要有三个阶段即输入采样、用户程序执行和输出刷新阶段。三个阶段为一个工作周期，在工作过程中被PLC中CPU来回扫描。(1)输入采样阶段在输入采样阶段，输入数据都是以PLC扫描方式被读入，同时这些数据被送入I/O的相关单元内。(2)用户程序执行阶段用户程序执行阶段，不会变化的数据只有I/0镜像区内的，其他数据则都发生相应的变化。(3)输出刷新阶段输出刷新阶，在这个阶段里，锁存电路在CPU中被刷新，外设敬输出电路来作驱动，这个输出才为PLC的完整输出。PLC的发展历史已经有几十年了，我们国家的半导体技术、计算机技术和通信方面的技术发展的越来越好，我们国家工业控制领域也发生了翻天覆地的变化，我们国家的PLC技术一直在不停地发展，PLC的技术发展也在寻求新的突破。一个是PLC网络化技术方面的发展，其中主要有两个方面的趋势；一个方面是PLC的网络系统以前是自成体系的封闭系统，现在的PLC网络系统发展是迅速的向放式的系统，除了已经是品牌的PLC外已经形成了具有自己特色的PLC的网络系统，这样有利于设备的控制任务外，我们还可以和上位的计算机管理系统进行联网，实现信息方面的交流，使PLC网络系统成为整个的信息管理系统的一部分；我们在另一方面来看，现场的总线方面的技术已经得到了广泛的采用，PLC和其他的安装在现场的智能化的设备，比如智能的仪表、传感器、智能型的电磁阀和智能型的驱动执行机构等等，主要就是通过一根传输的介质使他们连接起来，并通过同一个通信的规约互相的传输信息，形成一个工业化的现场控制网络，现场的工业控制网络和单纯的PLC远程网络相比的话，现场的工业控制网络的配置更加的灵活，扩展起来也更加的方便，造价也更加的低，性能的价格比也更加的好，也比单纯的PLC远程网络更具有意义。PLC逐渐向高性能的小型化的方向开始发展，PLC的功能变得越来越丰富，PLC的体积变得也越来越小。打个比方三菱的PLC就相当于一个继电器，但是三菱的PLC具有高速计数、斜坡、交替输出以及十六位的四则运算的能力，还具有可以调节的电位器时间的设定功能。PLC已经不再是以前的那种只能进行开关逻辑运算的一些产品，PLC的模拟量处理能力变得也越来越强。三、机械手控制系统设计（一）机械手整体设计要求本论文所设计的机械手要完成抓取、移动、放松回复动作，主要控制要求如下所述：1、下降、抓取过程：开始启动，机械手下降到指定位置，手爪松开；2、上升平移过程：机械手抓取物件，上升到指定位置停止，并夹紧物件；3、向右移动过程：机械手夹紧物件向右移动到指定位置，停止右移；4、下降放松过程：机械手携带物体下降到指定位置停止，将物体放下；5、回到原位过程：物体被送到指定位置后，机械手上升到指定位置并停止，向左移动到指定位置停止；6、循环过程：上述过程为一个工作周期，机械手循环运转。（二）机械手控制系统的硬件设计1.PLC机型选择在选择机型时，第一要考虑的是要必须满足控制要求，系统维护方便、稳定、价格便宜等因素也在考虑范围之内。下面详细介绍各个需要考虑因素：（1）结构合理整体式结构特点的PLC适用于工艺过程相对固定、工作环境较好、维修比较容易的地方；不然，则适用于模块式的PLC，整体式结构的PLC适用于物料混合控制系统，基本满足要求。（2）功能强、弱适当在控制速度不需要很高的工程项目中，低档的PLC就已经足够满足控制要求，西门子公司的S7-200适用于这一类的工程项目。（3）机型统一整体式和模块式结构作为PLC的两种常见结构。整体式机型体积较小，价格不高。但是整体式结构的PLC也有其弊端，它的功用不强大，实用性受到很大限制，在控制要求较高的系统中就已经不能满足控制要求。控制要求高的系统则使用模块式的PLC，模块式有其不可替代的功用，其功能强大，扩展性较强，灵活方便。机型统一是选择PLC时的基本原则。（4）是否在线编程运行、使用方便灵活是PLC的主要特征。如果需要对控制设备作出新的控制要求时，这时仅仅在编程器里重新修改程序，就可以完成新的控制，这大大减轻了生产的负担，很方便生产。离线和在线编程是PLC的两种编程方式。（5）PLC的环境适应性生产商能够将PLC生产在环境条件较差的条件下工作，虽然如此，每个PLC都有其特殊的技术和使用环境要求。使用者在选择PLC之前，需要对PLC的使用环境条件有个清晰地认识。PLC需要在以下要求下稳定工作：温度：0～55℃；储存温度：-40℃～＋85℃；湿度：相对温度5%～95%；电源：交流220V；环境：较稳定的工作环境；如果需要PLC在特殊环境中工作，则必须对其结构和性能作合理的评估。2.PLC容量选择I/O的点数、用户存储器的容量是PLC容量的两个主要参考量。在选择PLC的容量时，第一要满足的是基本的设计要求，第二还要留有一定的安全余量，以供不时之需。按照常规情况下的条件，要留10%--25%作为安全余量。一般情况下，一条逻辑指令占用存储器一个字。计时、数据传输等指令占用存储器两个字。I/0点数应留有扩大空间，如果留有的I/0点数余量太多，那么成本也一定随之上升。输入信号和输出信号的总点数可以作为参考依据，一般情况下，I/O点数存10%-15%为扩撑空间。3.I/O模块的选择PLC控制的是设备或工艺工程，工作环境是生产现场。I/O模块可以联系PLC和设备的生产过程，可以改变其参数，对现场进行控制。这种情况下，I/O模块也接收控制器的信号反馈，及时对设备的控制系统产生反应，驱动设备运行或者停止。外联设备或生产过程中的信号电平大都不一样，并且各个应用商所需要的也是不一样的，但是只有标准电平能够存在CPU且被识别，因此，I/0模块需要对非标准电平作适当的转换和调整。从收到信息到输出给设备需要一定的时间和距离，这个时候需要确保信息能够完整地被输送至设备，且没有受损，所以要保证I/0模块没有破损，能够应对外界干扰。多种的I/0接口模块应该存在，以备必要时选用，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。4.电源模块的选择输出电流是在选择电源模块的考虑点。电源模块的额定输出电流必须大于处现器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。下面简要介绍选择电源模块时的注意点：l.明确输入电压；2.把每块I/0模块的电流值相加，计算出I/O模块所需的总电流值；3.I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：如果有处理器，那么加上处理器的最大电流值；如果存在扩展的I/0模块，应加上其最大电流值。4.如果存在扩展空槽时，则按以下方法处理：1)将I/O模块电流一一详细表示出来；把所有相对应的I/0模块电流值相加；5.如果没有存在电源空槽，则将模块装于框架外部；6.根据以上步骤确定好电压及模块电流，查表选择合适的I/O模块。PLC的种类千差万别，各有特点，各有优点，也各有缺点，每个PLC的使用环境、其结构等等都不一样。合理的选择PLC不仅关系到系统能否正常运行，而且也关乎成本因素。不浪费PLC的容量，同时也要满足设计需要，还要满足系统可靠性要求，主要考虑以下几个方面：1）合理的结构形式2）安装方式的选择3）相当的功能要求纵观上文介绍，本课题设计选用S7-200PLC,S7-200型号的PLC属于小型整体式结构的PLC，RS485通信接口存在其内，电源和I/0接口在内部，它的结构原理简单，工作速度快且稳定，比较可靠，指令能够满足常规的控制要求，扩展模块也比较多，通信时间差较小，控制精度高，维护操作比较方便，价格也较便宜，在中小规模的控制系统中是合理的选择对象。四、机械手PLCI/0点分配、主电路设计、控制流程图及梯形图（一）机械手PLC的I/0分配1、PLC的I/0口接线图（图4-1）：2、经过系统控制功能分析，本设计需要输入点6个，输出点8个。共计14个，具体如表4-1：（二）主电路的设计1.机械结构和控制要求机械手要完成一个完整地抓取码放物体的动作，完成后正常情况下则继续抓取动作。上升、下降和左移、右移的动作用双线圈二位电磁阀椎动气缸来控制。如果电磁阀线圈通电，则按目前的动作来保持，例如，当下降的电磁阀线圈通电的时候，按程序下降，虽然线圈会断电，机械手仍会下降，只有上升的电磁阀线圈通电的时候才会停止。从另一角度来讲，夹紧、放松受电磁阀控制气缸来完成，夹紧动作在线圈通电就开始，断电就开始放松。设备装有上、下限位和左、右限位开关，工作过程描述如下：原位下降夹紧上升右移左移上升放松下降2.主电路图的设计在分析电路及工作过程中，作出电路图如4-2。电路使用双线圈带动电磁阀来完成相应动作。该电路带有短路保护、过载保护、欠压、失压保护等。FU为熔断器实现短路保护，FR热继电器实现过载保护，接触器可以对过压和失压进行保护。在控制线路中KM1/KM2、KM3/KM4、KM5/KM6两两之间应设计互锁控制线路，如图4-3。机械工作状态表如表4-2。图4-2主回路原理图图4-3KM1和KM2互锁控制线路机械手控制流程图，如图4-4：3.相关程序（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，机械手就有移位信号的产生，I0.1=1，械手开始抓取物件，并延时1.7s；第二个移位信号来临，则机械手持续上升