plc機械手課程設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　PLC機械手課程設計</p><p>　　系 部: 機械工程系</p><p>　　專 業(yè): 機電一體化技術</p><p>　　班 級: 機電10-12（3）班</p><p><b>　

2、　摘 要</b></p><p>　　工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工

3、業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。當今的PLC吸收了微電子技術和計算機技術的最新成果,其應用已從單機自動化推廣到整條生產(chǎn)線的自動化乃至整個工廠的生產(chǎn)自動化。目前,機械手主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面,無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍,重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手,PLC可以按照所需要求完成機械手的設計,使機械手的設計簡單化,大大節(jié)省了時間,提高了工作效率，減輕了勞動強度,改善作業(yè)條件。&

4、lt;/p><p>　　本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用西門子系列S7-200PLC，對機械手的上下、左右以及抓取運動進行控制。該裝置機械部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術，結(jié)合相應的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>&l

5、t;b>　　PLC簡介</b></p><p><b>　　機械手概述</b></p><p><b>　　控制系統(tǒng)硬件設計</b></p><p><b>　　4、PLC程序設計</b></p><p><b>　　5、程序描述</b>

6、</p><p><b>　　6、結(jié)束語</b></p><p>　　基于PLC的機械手控制設計</p><p><b>　　1、PLC簡介:</b></p><p>　　自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控

7、制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。通用PLC應用于專用設備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作

8、中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器</p><p>　　1.1可編程器的基本原理 </p><p>　　PLC與普通微機在許多方面有相似之處,但其工作方式卻與微機有很大的不同。微機一般采用等待命令的工作方式,如在常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式下,有鍵按下或I/O動作則轉(zhuǎn)入相應的子程序;無鍵按下或I/O不動作則繼續(xù)掃描鍵盤和I/O口。

9、PLC則采用循環(huán)掃描動作方式,在PLC中用戶序按先后順序存放,</p><p><b>　　2、機械手概述</b></p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境

10、中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。</p><p><b>　　2.1機械手分類</b></p><p>　　機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，它是一種獨立的不附屬于某

11、一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機械手來進行探測月球、火星等。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用于解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，

12、由主機驅(qū)動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。</p><p>　　本項目要求設計的機械手模型可歸為第一類，即通用機械手。在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，自動化程度較高，大量應用機械手。通過本次設計，可以增強對工業(yè)機械手的認識，同時并熟悉掌握PLC技術、位置控制技術、氣動技術等工業(yè)控制常用的技術。</p><p>　　2.2機械手控制系統(tǒng)設計步驟 </p><p>　

13、　根據(jù)工藝要求確定被控系統(tǒng)必須完成的動作,確定這些動作之間的關系及完成這些動作的順序。(2)分配輸入、輸出設備,即確定哪些外圍設備是送信號給PLC的,哪些外圍設備是接收來自PLC的信號的,同時還要將PLC的輸入、輸出點與之一一對應,對I/O進行分配。在此基礎上確定PLC的選型。(3)根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和所選PLC的I/O點的情況及高功能模塊的情況,設計PLC用戶程序,此時可采用梯形田、助記符或流程圖語言形式的用戶程序。PLC的用戶程

14、序體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關系,編程時可用編程器或計算機直接編程、修改,同時也可對PLC的工作狀態(tài)、特殊功能進行設定。(4)對所設計的PLC程序進行調(diào)試和修改,直至PLC完全實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的控制功能。(5)保存已完成的程序。</p><p>　　3、控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　對于機械手的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如繼電器控制、單片機控制、PLC控制等。但由于

15、此明確指定采用PLC可編程控制器控制實現(xiàn)，所以，不用我們?nèi)タ紤]控制硬件方案，只是要對PLC進行比較選擇。</p><p><b>　　3.1PLC的選型</b></p><p>　　對于PLC的選擇，我們必須考慮多方面的因素。例如輸入、輸出的最多點數(shù)；掃描速度；內(nèi)存容量；指令條數(shù)；功能模塊等。同時還要考慮其經(jīng)濟實用性以及工作環(huán)境對其的影響。</p>&l

16、t;p>　　3.1.1PLC的類型</p><p>　　PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴

17、展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.1.2輸入輸出模塊的選擇</p><p>　　輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷

18、場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。</p><p>　　3.1.3電源的選擇</p><p>　　PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220

19、VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。</p><p>　　3.1.4存儲器的選擇</p><p>　　由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下

20、降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 3.1.5經(jīng)濟性的考慮</p><p>　　選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費

21、用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，估因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。</p><p>　　機械手PLC選擇及參數(shù)</p><p>　　綜合上述原則機械手控制系統(tǒng)主機為西門子的S7-200。</p><p>　　SIMATIC S7-

22、200系列PLC是德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的具有很高性能價格比的微型可編程控制器。西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門子的中國業(yè)務是其亞太地區(qū)業(yè)務的主要支柱，活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個行業(yè)中，其核心業(yè)務領域是基礎設施建設和工業(yè)解決方案。 S7-200作為西門子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務于國內(nèi)的

23、各行各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運行速度快，價格低廉及多功能多用途等特點，因此在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。</p><p>　　S7-200豐富的種類：</p><p>　　·CPU221：內(nèi)置10個數(shù)字量I/O點，不可擴充；</p><p>　　·CPU222：內(nèi)置14個數(shù)字量I/O點，可擴充到78路數(shù)字量或10路模擬量

24、 </p><p>　　·CPU224：內(nèi)置24個數(shù)字量I/O點，可擴充到168路數(shù)字量或35路模擬量</p><p>　　·CPU226：內(nèi)置40個數(shù)字量I/O點，可擴充到248路數(shù)字量或35路模擬量</p><p>　　主機為S7-200中的CPU226，因為他能擴展七個模塊。模塊1-模塊4為EM232，它是模擬量輸出模塊，每個模塊有兩

25、個輸出通道。電源為220V交流電。</p><p><b>　　3.2項目分析：</b></p><p><b>　　圖1機械手</b></p><p>　　據(jù)圖1分析，機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八個動作，完成一個工作周期。機

26、械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應的限位開關來控制的，而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。</p><p>　　為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降，若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號。</p><p>　　控制方面的要求為了滿足生產(chǎn)要求，機械手設置了手動工作方式和自動工作方

27、式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。</p><p>　　手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降”按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作位置和緊急停車后機械手返回原點。</p><p>　　單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。</p>&l

28、t;p>　　單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。</p><p>　　連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自動反復連續(xù)工作，在連續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(tài)：</p><p>　　正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復位按鈕，機械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點自動停機。</p><p>　　緊急

29、停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機械手停止在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。</p><p>　　3.4確定輸入/輸出點數(shù)</p><p><b>　　1）輸入信號</b></p><p>　　位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共4個行程開關，需要4個輸入端子。</p><p>　　“無工件

30、檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要1個端子。</p><p>　　“工作方式”選擇開關：有手動、單步、單周期和連續(xù)4種工作方式，需要4個輸如端子。</p><p>　　手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松6個按鈕，也需要6個輸入端子。</p><p>　　自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車3個按鈕，也需要3個輸入端子。以上共需要18個輸入信號。

31、</p><p><b>　　2）輸出信號</b></p><p>　　PLC的輸出用于控制機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松，共需要5個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個原點指示燈，也需要1個輸出點。所以，至少需要6個輸出點。</p><p>　　輸入和輸出點分配表及原理接線圖</p><p>　　表1

32、機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表</p><p>　　3.5分配PLC的輸入/輸出端子</p><p>　　PLC的輸入輸出端子分配接線圖，如圖2所示</p><p>　　圖2輸入/輸出分配接線圖</p><p><b>　　圖3操作盤示意圖</b></p><p>　　機械手電氣控制系統(tǒng)，除了有

33、多工步特點之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。</p><p><b>　　4、PLC程序設計</b></p><p>　　為了方便編程，可將手動和自動程序

34、分別編出相對獨立的程序段，用跳轉(zhuǎn)指令進行選擇，控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。選擇手動方式時，X3接同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3斷開，執(zhí)行自動程序。</p><p>　　圖4 總程序結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　4.2自動控制程序</b></p><p>　　分析知，在“自動”工作方式下，本機械手的運動是以

35、開關量作為轉(zhuǎn)移信號，按所設計的工藝流程一步一步地進行工作，其控制過程為順序循環(huán)控制。當機械手完成一次物料的吸放任務后返回原位為下一個任務做好準備</p><p>　　圖5自動操作控制的流程圖</p><p>　　4.3手動控制程序框圖</p><p><b>　　圖6手動程序框圖</b></p><p><b>

36、;　　5、程序描述</b></p><p><b>　　5.1手動程序：</b></p><p>　　手動操作不需要按工序順序進行動作，所以可按普通繼電器程序來設計。手動操作的梯形圖，如圖7所示，手動按鈕X20-X25分別控制下降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進行，</p><p>　　設置了一些必要

37、的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入X11作上限連鎖，這是因為機械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。</p><p><b>　　圖7 手動程序</b></p><p><b>　　5.2自動程序</b></p><p>　　自動程序如圖8所示。</p><p>　　1）連續(xù)及單周期操作。當機

38、械手在原點時，程序處于初始狀態(tài)S0，執(zhí)行下降動作。當下降到下限位開關時，X10接通，又接通下一個狀態(tài)S21，接著執(zhí)行下一步動作。當執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點碰到左限位開關時，X13接通，如果是單周期操作，則M0斷開，回到初始狀態(tài)，如果連續(xù)操作，則M0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至S20，又開始下一個周期的循環(huán)。</p><p>　　在運行中，如按正常停車按鈕，則X1接通，M0復位，機械手的動作繼續(xù)執(zhí)行完一個周期后，回到初

39、始狀態(tài)。如按緊急停車按鈕，則X2接通，狀態(tài)S0~S33全部復位，機械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將機械手移回原點，才能再次進行自動操作。</p><p>　　2）單步操作。當自動操作程序采用步進指令設計時，單步操作程序用“禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移”標志器M8040來實現(xiàn)，如圖8所示。該繼電器線圈接通時，禁止步進狀態(tài)轉(zhuǎn)移，線圈斷電時，允許狀態(tài)轉(zhuǎn)移。</p><p><b>　　圖8自動程

40、序</b></p><p>　　在單步操作方式下，利用啟動按鈕X0作為單步操作信號，X4接通。不按啟動按鈕時，X0斷開，其常閉接點閉合，M8040接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移被禁止</p><p>　　當完成一步動作后，按下啟動按鈕，X0接通，，其常閉接點將M8040斷開，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步。</p><p>　　圖9 用“禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移”設計的單步操作梯形圖</p

41、><p>　　將如圖9所示的單步操作梯形圖連接在如圖8所示的自動程序上端，就得到了包括單步、單周期、連續(xù)操作在內(nèi)的整個自動操作的梯形圖。</p><p>　　至此，機械手的控制程序分段設計完畢。根據(jù)圖4所示的總程序結(jié)構(gòu)框圖，將手動操作程序梯形圖和自動程序梯形圖嵌入，就得到整個程序的梯形圖。</p><p><b>　　3）運行程序</b></

42、p><p>　　if (運行標志==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if (次數(shù)>=0&&次數(shù)<50)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　下移信號=1;</b>&

43、lt;/p><p>　　機械手y=機械手y+2;</p><p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (次數(shù)>=50&&次數(shù)<70)</p><p><b>　　{</

44、b></p><p><b>　　下移信號=0;</b></p><p><b>　　加緊信號=1;</b></p><p>　　左爪=左爪+1/21*5;</p><p>　　右爪=右爪-1/21*5;</p><p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</

45、b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (次數(shù)>=70&&次數(shù)<120)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　加緊信號=0;</b></p><p><

46、;b>　　上移信號=1;</b></p><p>　　機械手y=機械手y-2;</p><p>　　工件y=工件y-2;</p><p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (次數(shù)>=

47、120&&次數(shù)<220)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　上移信號=0;</b></p><p><b>　　右移信號=1;</b></p><p>　　機械手x=機械手x+1;</p><p>

48、　　工件x=工件x+1;</p><p>　　左爪=左爪+20/21;</p><p>　　右爪=右爪+20/21;</p><p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (次數(shù)>=220&&am

49、p;次數(shù)<270)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　右移信號=0;</b></p><p><b>　　下移信號=1;</b></p><p>　　機械手y=機械手y+2;</p><p>　　工件y=工件y+2

50、;</p><p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (次數(shù)>=270&&次數(shù)<290)</p><p><b>　　下移信號=0;</b></p><p>

51、;<b>　　放松信號=1;</b></p><p>　　左爪=左爪-1/21*5;</p><p>　　右爪=右爪+1/21*5; </p><p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</b></p><p><b>　　} </b></p><p>

52、;　　if (次數(shù)>=290&&次數(shù)<340)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　放松信號=0;</b></p><p><b>　　上移信號=1;</b></p><p>　　機械手y=機械手y-2;</p&

53、gt;<p><b>　　次數(shù)=次數(shù)+1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　六、結(jié)束語 該執(zhí)行機構(gòu)集微機技術和執(zhí)行器技術于一體，是一種新型的終端控制單元，其電機是通過內(nèi)部集成的一體化變頻器來控制，因此，同一臺智能執(zhí)行機構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)具有不同的運行速度和關斷力矩。該智能執(zhí)行機構(gòu)采用了