毕业设计（论文）基于PLC多维机械手控制系统的设计.doc

江苏科技大学毕业论文（设计）学 院： 电子信息学院 专 业： 电气工程及其自动化学 号： 姓 名： 课 题： 基于PLC多维机械手控制系统的设计 指导教师： 职 称： 年 月 日基于PLC多维机械手控制系统的设计摘 要伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用西门子S7-200系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。关键词：可编程控制器PLC；机械手；伺服马达 PLC-based control system for multi-dimensional design of robot AbstractFollows the integration of machinery in each domain application, the mechanical device automatic control ingredient is appearing more and more importantly, industry manipulator is a new technology which in the modern automatic control domain appears, its development is because its positive role was knowing day by day for the people: It can the partial zones for the manual control; Can defer to the production craft the request, follows the certain procedure, the time and the position completes the work piece the transmission and loading and unloading; Can manufacture the essential machines and tools to carry on the welding and the assembly thus greatly improves worker's work condition, remarkably enhances the labor productivity, speeds up realizes the industrial production mechanization and the auto mated step. This design uses grinds the overseas Chinese laborer industry control computer to take on the position machine, PLC carries on the monitoring and the performance data as the lower position machine to freedom industries manipulator files away.Keywords: Programmable controller PLC; Machine hand; MOTOR目录 I 引言4II 绪论52.1 多维机械手控制系统功能说明62.2 系统主要工作过程7III 多维机械手控制系统硬件设计93.1 PLC主机103.2 各种限位开关113.3 各种电磁阀123.4 传送带A的电机接触器12IV 人机界面（选择部分）13V 多维机械手控制系统软件设计16VI 结 论25参考文献26致 谢27I 引言现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这要求，生产设备和自动生产生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这用要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到惊人的发展，使PLC在概念、设计、性能价格以及应用等方面都有了新的突破。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制中，PLC在其他领域，例如民用和家庭的自动化的应用也是得到迅速的发展。本文主要从硬件和软件两个方面介绍以S7_200系列PLC为核心的焊丝摆动控制系统的组成和设计思路，本设计是以电焊机焊丝摆动控制系统为例。在这个控制系统中是用CPU226和变频器来控制摆动的的速度，用8位分辨的传感器对速度进行采集，以完成焊丝的摆动控制功能。文中将分别给出硬件接线图和给出主程序和流程框图。 II 绪论可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点;气动技术也是实现工业自动化的重要手段,并且已广泛地应用于各工业部门,在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程容易实现。机械手在工业自动化生产中得到了很好的利用,它可减少人的重复操作,并且它还可以完成人无法完成的操作,从而大大地提高工业生产效率。2.1 多维机械手控制系统功能说明机械手系统的实现主要可以分为两个方面：一个方面是机械手机械结构的设计，这个属于机构设计的内容不属于本文要讨论的内容，因此不再讲述；而另一个方面是机械手控制系统的设计，属于自动控制领域的内容，而传统的继电器控制的半自动化装置因设计复杂、接线繁杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障动、维修困难等问题，已经不能满足机械手控制的需求。plc的出现和发展，为这些问题的解决指明了方向。本文选择的是西门子S7-200系列的PLC。本文讲述的多维机械手，主要是完成产生电阻的生产线上，产品的多方位转移，图1所示为一生产线上机械手工作的示意。图1 生产线上机械手工作示意图此机械手在生产线上，主要的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B上，这个是某公司生产电阻生产线上的一个过程。要完成这一任务，根据外界情况机械手在空间上主要进行以下动作：手指抓紧、手指放开、手臂左旋、手臂右旋、整体上升及整体下降。机械手完成上述这些动作主要是用液压系统来驱动，首先通过S7-200系列PLC对电磁阀进行控制，然后用电磁阀控制液压系统来驱动机械手的动作。2.2 系统主要工作过程机械手的主要工作过程如下，如图2所示。传送带A手臂左旋整体下降整体上升启动上升到位左旋到位下降到位物品到位手指放开手指抓紧T=2s手臂右旋传送带B整体下降整体上升抓到位下降到位右旋到位上升到位 图2机械手简单工作图（1） 整体上升。是指机械手相对于工作台面做向上运动，使得机械手的高度满足要求。（2） 整体下降。是指机械手相对于工作台面做向下运动，使得机械手的高度满足要求。（3） 手臂左旋。是指保持整体高度不变，机械手相对于工作台面向左旋转到合适位置，为从传送带A上取物品做好准备。（4） 手臂右旋。是指保持整体高度不变，机械手相对于工作台面向右旋到合适位置，为放物品到传送带B上做好准备。（5） 手指抓紧。是指机械手从传送带A上抓取物品。（6） 手指放开。是指机械手防物品到传送带B上。从设备的基本功能上来考虑，主要是要求PLC控制的机械手能够在恶劣的工业生产线的环境下安全而可靠地完成上述任务。从设备的附加功能及方便实际中的一些需求，可以在系统这边加入一些人机界面，如控制按钮、简单的显示功能等。从生产设备的成本上来考虑，必须要考虑到整个系统的最优惠、最实际的解决方案。综合这3个方面考虑，设计出如图3所示的多维机械手的功能图。 多维 机械手 电气 控制柜 图3 多维机械手的功能框图 其中，多维机械手部分在本小节的前面部分已经做了详细的介绍，下面主要介绍一下电气控制柜的内部结构。电气控制柜的基本结构如图4所示。在电气控制柜的内部有基本仪器仪表，这些仪器仪表用于显示一些机械手工作的基本参数，如供电电压、电流的大小等。在电气控制柜的背后引出的线中，右一部分引到机械手的整条生产线的控制台上，以便操控人员对机械手部分的控制。 基本 仪器 仪表接至总控制台的操作控制按钮 图4 电气控制柜的基本结构III 多维机械手控制系统硬件设计根据上节的功能分析，可以设计多维机械手控制系统的硬件框图如图5所示。下面将依次详细地介绍硬件系统中的各个部分。 人机界面 （选择部分） S7-200PLC CPU224上升限位开关上升电磁阀下降电磁阀下降限位开关左旋电磁阀左旋限位开关右旋限位开关右旋电磁阀抓紧限位开关抓紧电磁阀光电开关放开电磁阀传送带A的电机接触器其他控制按钮 图5多维机械手控制系统的硬件框图3.1 PLC主机选择西门子S7-200系列PLC来作为多维机械手控制系统的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226XM等。此多维机械手控制系统总共有8个数字量输入u，7个数字量输出，共需15点I/O点数及程序容量，选择了CPU224作为其主机。CPU224具有以下特性：（1）8KB程序储存器，典型的为2.6K条指令。（2）2.5K字数据储存器。（3）1个可插入的储存子模块。（4）14个数字量输入，有4个可用作硬件中断，10个用于高速功能。（5）10个数字量输出，其中2个可用作本机集成功能。（6）2个8位分辨率的模拟电位器。（7）数字量输入/输出，最多可以扩展成94个数字量输入，74个数字量输出。（8）模拟量输入/输出，最多可以扩展成28个模拟量输入与和7个模拟量输出，或者是14个模拟量输出。（9）256个计数器，计数范围为032767。（10）具有256个内部标志位。（11）具有256个定时器，其中，分辨率为1ms的有4 个，其定时范围为1ms30s;分辨率为10ms的有16个，其定时范围为10ms5min;分辨率为100ms的有236个，其定时范围为100ms54min。（12）具有4个中断输入。（13）6个32位的高速计数器，可作为加/减计数器用，或将增量编码器的两个互相之间相移为90º的脉冲序列连接到高速计数器输入端，可编程使能复位输入，在达到设定值时刻中断，计数方向可反向。（14）2个高速脉冲输出，可产生中断，脉冲宽度和频率可调。（15）1个RS-485通信接口。（16）AS接口最大输入/输出有496个，可以扩展7个模块。3.2 各种限位开关在多维机械手控制系统中，总共用了5个限位开关：上升限位开关、下降限位开关、左旋限位开关、右旋限位开关、抓紧限位开关。限位开关主要是用来控制机械手在运动过程中的停止时刻和位置。（1） 上升限位开关。上升限位开关用于控制机械手能在整体上升时的位置，事先在机械工作平台上方的合适位置上安装好限位开关，当机械手上升到能接触到上升限位开关时，PLC控制机械手停止上升。（2） 下降限位开关。下降限位开关用于控制机械手能在整体下降时的位置，事先在机械工作平台下方的合适位置上安装好限位开关，当机械手下降到能接触到下降限位开关时，PLC控制机械手停止下降。（3） 左旋限位开关。左旋限位开关用于控制机械手手臂向左运动时的定位，事先在机械工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向左运动接触到左旋限位开关时，PLC控制机械手手臂停止向左运动。（4） 右旋限位开关。右旋限位开关用于控制机械手手臂向右运动时的定位，事先在机械手工作平台的合适位置上安装好限位开关，当机械手手臂向右运动接触到右旋限位开关时，PLC控制机械手手臂停止向右运动。（5） 抓紧限位开关。抓紧限位开关用于控制机械手手指在从传送带A上取物品时抓紧物品的松紧程度，事先在机械手的合适位置上安装好限位开关，安装的根据是概要保证物品能够被机械手抓起物品，又要使得机械手抓物品时所受的力不至于过大。3.3 各种电磁阀在此机械手控制系统中，应用液压系统来驱动机械手，而液压是由电磁阀来控制的，即PLC控制电磁阀，从而控制液压系统，再由液压系统来驱动机械手。根据机械手不同动作，主要有上升电磁阀、下降电磁阀、左旋电磁阀、右旋电磁阀、抓紧电磁阀、放开电磁阀等。（1） 上升电磁阀。控制液压驱动机械手做上升运动。（2） 下降电磁阀。控制液压驱动机械手做下降运动。（3） 左旋电磁阀。控制液压驱动机械手手臂做向左旋转运动。（4） 右旋电磁阀。控制液压驱动机械手手臂做向右右旋运动。（5） 抓紧电磁阀。控制液压驱动机械手手指做抓紧动作。（6） 放开电磁阀。控制液压驱动机械手手指做放开动作。3.4 传送带A的电机接触器传送带A并不需要时刻连续地运转传送，并且也不可能一直连续地传送物品，而是根据机械手的当前工作情况由控制机械手的控制系统来一同控制传送带A的工作与否，该在什么时刻启动传送，该在什么时刻停止传送。因此，就必须要在传送带A的电机部分装一个可以控制电机是运转还是停止的接触器，再通过PLC来控制接触器，最后达到控制的目的。IV 人机界面（选择部分）人机界面考虑到实际的情况，做相应的选择。可以是在多维机械手控制系统中需要附加上一个简单的显示模块，可以做一些简单的显示。显示模块选用的是西门子公司生产的中文显示器TD200模块，该模块专门用于解决S7-200系列PLC的操作界面问题，TD200模块如图6所示。TD200模块具有如下特点： （1）牢固的塑料壳，前面板IP65防护等级。（2）27mm的安装深度，无需附件即可安装在箱内或面板内，或用作手持控制操作设备。（3）背光LCD液晶显示，即使在逆光情况下也易看清。（4）按人体工学设计的输入键位于可编程的功能键上部。（5）TD200中文版内置国标汉字库。（6）内置连接电缆的借口。（7）如果TD200与S7-200系列之间距离超过2.5m，需接额外电源。这是用Profibus总线电缆连接。 TD200 西门子（中国）有限 公司自动化与驱部F4F2F3F1SHIFTENTERESC 图6 TD200模块TD200模块具有如下功能：（1）文本信息的显示，用选择项确认方法可显示最多80条信息，每条信息最多可包含4个变量，5种系统语言。（2）可设定实时时钟。（3）提供强制I/O点诊断功能。（4）提供密码保护功能。（5）过程参数的显示和修改，参数在显示器中显示器中显示并可用输入键进行修改，如进行温度设定或速度改变。（6）可编程的8个功能键可以替代普通的控制按钮，作为控制键。这样还可以节省8个输入点。（7）可选择通信的速率。（8）输入和输出的设定，8个可编程功能键的每一个都分配了一个存储器位，如这些功能键可在系统启动、测试时进行设置和诊断；又如可以不用其他的操作设备即可实现对电动机的控制。（9）可选择显示信息刷新时间。这一部分内容，需要大量的篇幅来介绍TD200的基本知识及组态的问题，本节只做简单介绍，若读者需要做相关的开发，可以查阅相关的西门子TD200手册。在上述详细分析的基础上，将S7-200系列PLC系统的I/O分配如表1所示。表1 I/O分配表 输入设备 输入点编号（I/O) 输出设备输出点编号（I/O)上升限位开关（SB1)I0.0上升电磁阀Q0.0下降限位开关(SB2)I0.1下降电磁阀Q0.1左旋限位开关(SB3)I0.2左旋电磁阀Q0.2右旋限位开关(SB4)I0.3右旋电磁阀Q0.3抓紧限位开关(SB5)I0.4抓紧电磁阀Q0.4光电开关(SB6)I0.5放开电磁阀Q0.5启动按钮(SB7)I0.6传送带A的电机接触器Q0.6停止按钮（SB8）I0.7 根据硬件框图及PLC系统的I/O分配情况，多维机械手控制系统西门子S7-200系列PLC的CPU224控制部分的硬件接线图如图7所示。I0.0 Q0.0I0.1 Q0.1I0.2 Q0.2I0.3 S7-200 Q0.3I0.4 CPU224 Q0.4I0.5 Q0.5I0.6 Q0.6I0.7 COMNLNO.1 SB1NO.2 SB2 SB3NO.3SB4NO.4N0.5NO.6 SB5NO.7 SB6 SB7220AC图7 多维机械手控制系统PLC控制部分的硬件接线图注释：SB1:上升限位开关；SB2:下降限位开关；SB3:左旋限位开关；SB4：右旋限位开关；SB5：抓紧限位开关；SB6:光电开关；SB7:启动按钮；SB8:停止按钮；NO.1:上升电磁阀；NO.2：下降电磁阀；NO.3:左旋电磁阀；NO.4：右旋电磁阀；NO.5:放开电磁阀；NO.6：传送带A的电机接触器V 多维机械手控制系统软件设计根据第一节中的机械手控制系统任务与功能的分析，机械手工作时的步骤如下：第一步，按下启动按钮，机械手开始工作。第二步，机械手在电机的带动下整体上升。第三步，待机械手上升到事先设定的高度(上升限位开关来指示上升的最高高度)，机械手手臂开始左旋。第四步，待机械手臂左旋开关指示已经左旋到指定位置时，机械手开始整体下降。第五步，整体下降限位开关指示机械手已经下降到指定高度时，启动传送带A。第六步，待光电开关指示物品已经到达规定位置，停止传送带A，同时机械手手指开始抓紧物品。第七步，抓紧限位开关指示机械手已经抓好了物品，机械手整体开始上升。第八步，上升限位开关指示机械手上升到位，机械手手臂开始右旋。第九步，手臂右旋限位开关指示手臂右旋到位，机械手整体下降。第十步，下降限位开关指示机械手下降到位，手指放开，将物品置于连续工作的传送带B中。第十一步，等待2秒。第十二步，若没有停止信号，则重复(2)至（11）步骤，若收到停止信号，则停止所有PLC控制的设备，使得机械手控制系统停止工作。根据多维机械手控制系统的工作过程，设计程序流程图如图8。 开始机械手整体上升机械手手指抓物品 上升到位SHANGSHENG N Y机械手手指放开抓住物品N机械手手臂左旋 N N Y延时T=2s机械手整体上升 Y N 左旋到位Y上升到位N停止Y机械手整体下降 N 停止系统机械手手臂右旋Y下降到位 N Y 结束右旋到位YN传送带A传送物品 Y 机械手整体下降物品到位 N Y下降到位 N 停止?停止?停止?停止? 图8 多维机械手流程图在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：向上运动至上限位向右运动至右限位顺时针转动至光接近开关夹紧装置松开。程序流程图如下：VI 结 论 本文是采用西门子S7_200系列CPU226为主控器控制整个系统,采用变频器、电机，来控制焊丝摆动的速度和无级调节。另外，在电渣焊接时，对于不同的 材料、板厚、焊接规范，要求焊接左右端点停留的时间不相同。这样，这个系统还得需要改进发展。对于这次设计中，没有设计出端点停留时间的控制电路，时间控制电路比较复杂，所使用的器件多。在仿真软件上不能实现，这是这次设计中的一个遗憾。对于一名自动化的学生来说，PLC十分重要，是自动化发展的一个重要方向。现在PLC的发展更是迅速，所以我觉得学好PLC至关重要。本次课程设计是在学习任务比较重，时间比较短的情况下做的，对于我在课本知识的基础之上更加深了对PLC的理解，使我学到了很多东西，当然也反映了我的许多的不足。首先的是动手能力太差，课本很容易看明白，但是到刚开始编程的时候却感到无从下手，理不清头绪。当然在老师和同学的帮助下，问题还是得到了一定的解决，而且在编程的过程中得到他们的帮助，发扬了团结的合作精神，即锻炼了自己又提高了能力，知难而上，加强了实践操作能力和水平，为我们今后的学习，工作打下了坚实的基础。 通过毕业设计，我对可编程控制器有了更深的认识，并且对在校所学的理论知识得到了实践。在对问题的分析与解决上也得到了提高，为以后的学习工作奠定的扎实的基础。参考文献 1 重肇新, 彭侃.可编程控制器原理及应用M.华南理工大学出版社2 李仁. 工厂电器控制设备M.机械工业出版社3 文峰. 马振兴 现代发电厂概论M.中国电力出版社4 温照方. 西门子S7200可编程程序控制器教程M.北京理工大学出版社5 郁汉琪.电气控制与可编程程序控制器应用技术M.东南大学出版社6 郭继忠, 张海贵, 程宝平, 徐巧鱼.电子元器件应用手册M.人民邮电大学出版社7 殷洪义. 可编程控制器选择设计与维护M.机械工业出版社8 廖常初.大中型PLC应用教程M.机械工业出版社9 西门子公司.深入浅出四门子S7-300PLCM.北京航天航空大学10 王永华.现在电气及可编程控制器技术M.北京航天航空大学11 蔡自兴.机器人学M.清华大学出版社 12 陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计M.上海科学技术文献出版社13 J.L. Shear study of Pneumatic process in the continuous control of motion with compressed air-LM.Trans of ASME14Zhou Hong. Intelligent pneumatic-The latest trend in pneumatic actuators and control systems M.Proceeding of the 4th International Conference of Fluid Power Transmission and Control15 路甬祥.液压气动技术手册M.机械工业出版社16 隋立明，王祖温，包钢.气动肌肉驱动仿人臂的设计J.液压与气动17 袁任光.可编程序控制器（PC）应用技术与实例M.广州：华南理工大学出版社， 18 田瑞庭.可编程序控制器应用技术M.北京：机械工业出版社19 陈宇.可编程控制器基础及编程技巧M.广州：华南理工大学出版社20 王兆义.小型可编程控制器实用技术M.北京：机械工业出版社致 谢 感谢江苏科技大学给我提供良好的学习环境和条件，我在论文设计过程中得到了许运飞指导老师的亲切关怀和悉心指导，他严谨求实的治学态度，一丝不苟、精益求精的工作作风，不仅授我以文，而且教我做人，深深地感染和激励着我。从论文开题到最终完成，他始终给予我细心的指导和不懈的支持。在毕业设计的过程中，他多次询问我的进度，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。让我按时完成了毕业论文的设计与实现。在几年的大学生活中，经过各位老师的悉心教导，学到了丰富的知识和做人的道理，为我走向社会、迎接挑战打下了坚实的基础。此时此刻我才真正体会到老师们的苦心和所学知识的重要性。最后，我要再次向给予我帮助的所有老师和同学表示深深的谢意，感谢大家在学习、生活中对我的帮助，谢谢大家！