机电综合实训课程设计基于西门子S7200PLC控制的机械手项目技术报告.doc
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1、概 要本文介绍了用PLC S7-200为控制电路主元件,外加电器系统,输入输出电路,构成了整体的实训项目。通过PLC控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品,要求把物品从一个工位搬到另一个工位,如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动,而气缸又由相应的电磁阀控制,这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。目录前言第一章 机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .511 机械手概念12 机械手总体结构第二章 PLC介绍. . .
2、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .621 PLC发展史22 PLC应用23 PLC特点第三章 汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .831汽缸概念与汽缸分类32汽缸结构与工作原理第四章 相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3、 . . . . . . . . . . .941电磁阀介绍42传感器介绍第五章 项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 51机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 52机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11521主程序
4、522公用程序53绘制原理草图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13531开关原理图532PLC外部接线图533机械手气动原理图 54元气件选型计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 55输入/输出地址分配表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 56绘制流程图或顺序
5、功能图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 57机械手程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 58系统的安装与调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 581系统安装工具582系统安装记录583系统安装故障分析及解决方法584安装验收表结论. . . . . . . . . . . .
6、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27前言为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统,对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。本设计正是针对这一课题,选择了可编程控制器(PLC)作为工业机械手的控制系统,这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。 本设计的控制对象是由一个搬运机械手组成
7、的机械手,每个机械手完成8个基本动作。机械手由气缸驱动,气缸受电磁阀控制。限位开关检测机械手是否到达固定位置。可编程控制器(PLC)控制机械手的动作,实现机械手群的自动运行。本设计可编程控制器(PLC)选用西门子(SIEMENS)公司S7-200系列的CPU224,并扩展了EM221模块和EM222模块。机械手的开关量信号直接输入PLC,PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。本设计的重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。在整体设计过程中按照“提出问题,分析问题,解决问题”的主导思想,对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。第一章 机械手的简介 11机械手的概念能模仿人手和臂
8、的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,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。 机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。1
9、.2机械手的总体结构本文设计的机械手主要包括机械手的旋转、大臂的伸缩、小臂的升降、手抓的松紧。各关节均采用电磁阀作为驱动装置,在机械大臂伸缩和小臂的升降以及手抓的松紧环节都配有传感器,并编制了能满足运动控制要求的软件,实现对机械手的速度、位置以及4关节联动控制。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度 。为了抓取空间中
10、任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。第二章 PLC介绍21 PLC发展史第一代:1969年1972年,代表产品有 美国DEC公司的PDP-14/L 日本立石电机公司的SCY-022 日本北辰电机公司的HOSC-20 第二代:1973年1975年,代表产品有 美国GE公司的LOGISTROT 德国SIEMENS公司的SIMATICS3、S4系列 日本富士电机公司的SC系列 第三代:19761983年,代表产品有 美国GOULD公司的M84、484、584、684、884
11、 德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列 日本三菱公司的MELPLAC-50、550 第四代:1983年现在,代表产品有 美国GOULD公司的A5900 德国西门子公司的S7系列22 PLC应用目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。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。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生
12、产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4过程控制过程控制是指对温度、
13、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。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、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、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型
14、控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6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23 PLC特点1可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC
15、的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全,功能完善,适用性强PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
16、近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用,深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少
17、了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小,重量轻,能耗低以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。第三章 汽缸简介31汽缸概念与汽缸分类本次实训主要用到的是双作用式气缸、单作用弹簧复位式气缸和摆动气缸。双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气,实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。32汽
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