機械手控制系統(tǒng)設計

機械手控制系統(tǒng)設計,機械手控制系統(tǒng)設計,機械手,控制系統(tǒng),設計 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目：機械手控制系統(tǒng)設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2010963125 姓 名： 王 彬 指導教師： 徐志遠 完成日期： 2014年05月20日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 機械手控制系統(tǒng)設計 學號： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 徐志遠 系主任： 一、主要內容及基本要求 機械手在專用機床及自動線上應用十分廣泛，主要用于搬運或裝卸零件的重復動作，以實現(xiàn)生產自動化。 1、對機械手及控制系統(tǒng)進行設計：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠。 2、繪制一張總裝配圖。 3、獨立完成程序控制設計，設計符合控制要求的程序。 4、論文字數要求：8000字以上。 二、重點研究的問題 1、選用常見的搬運機械手進行研究，實現(xiàn)其功能。 2、上升、下降、夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 3、電動機正反轉的控制。 4、運用PLC控制動作的轉換。 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 完成時間 1 查閱資料、熟悉設計內容 2013.12.21-2014.1.22 2 開題報告、制訂設計方案 2014.1.23~2014.3.10 3 機械手結構及控制系統(tǒng)設計 2014.3.11~2014.4.20 4 寫出初稿 2014.4.21~2014.5.10 5 修改，寫出第二稿 2014.5.11~2014.5.20 6 寫出正式稿 2014.5.21~2014.5.31 7 答辯 2014.6 8 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 王本軼. 機床設備控制基礎[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. [2] 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制[J]. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. [3] 王炳實. 機床電氣控制[M]. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. [4] 蔣少茵. PLC控制的機械手[J]. 微計算機信息, 2002, 18(2): 20-22. [5] 劉軒, 王麗偉. 機械手的PLC控制[J]. 機床電器. 2006, (3): 34-49. [6] 郭劍暉. 機械手PLC控制系統(tǒng)設計[D]. 南昌: 南昌大學. 2012. 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 2010963125 姓名 王彬 專業(yè) 機械設計制造及其自動化四班 畢業(yè)論文（設計）題目： 機械手控制系統(tǒng)設計 評價項目 評 價 內 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經濟分析能力。 論文 （設計）質量 1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 評閱人： 2014年 月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 28 頁 圖 表 1 張 論文（設計）題目： 機械手控制系統(tǒng)設計 內容提要： 機械手在現(xiàn)代化自動化生產中應用極為廣泛，它的應用和普及為自動化生 產，安全生產提供了有力的條件，其中在機械手的應用和普及中最為核心的就是機械手 的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是機械手的大腦和靈魂，它指揮著機械手完成特定的動作，實現(xiàn) 其相應的功能，在本次設計中，機械手的主要作用是進行搬運，因此其實現(xiàn)的動作有 原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位，這些動作的實現(xiàn) 使得機械手能過完整地完成一次物件的搬運，從而節(jié)約物力和人力，有利于提高生產效 率，節(jié)約成本。該機械手的形狀和構成如附件1中圖所示，而其控制功能的實現(xiàn)，這里 選用的是西門子公司的S7-200軟件，通過編寫的程序（如附件2，3），控制系統(tǒng)指揮 各電子元件來完成其功能。 指導教師評語 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 第1章 緒論……………………………………………………………………… 1 1.1 課題研究目的及意義……………………………………………………… 1 1.2 國內外機械手研究概況…………………………………………………… 1 1.3 課題研究的內容和預計達到目的………………………………………… 2 第2章 機械手介紹……………………………………………………………… 3 2.1 機械手驅動系統(tǒng)選型……………………………………………………… 3 2.2 機械手控制系統(tǒng)選型……………………………………………………… 5 第3章 S7-200系統(tǒng)的基本介紹………………………………………………… 8 3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構成………………………………………………… 8 3.2 S7-200PLC內部資源……………………………………………………… 9 第4章 電機和傳感器選擇……………………………………………………… 11 4.1 電機選擇…………………………………………………………………… 11 4.2 傳感器選擇………………………………………………………………… 12 第5章 控制部分設計………………………………………………………………14 5.1 電機正反轉的實現(xiàn)………………………………………………………… 14 5.2 PLC程序編寫……………………………………………………………… 15 5.3 PLC程序調試……………………………………………………………… 24 第6章 總結……………………………………………………………………… 26 致謝………………………………………………………………………………… 27 主要參考文獻……………………………………………………………………… 28 第1章緒論 1.1課題研究的目的和意義 機械手是工業(yè)自動化領域中經常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業(yè)自動化的發(fā)展機械手逐漸成為一門新興學科，并得到了較快的發(fā)展。機械手廣泛地應用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手由于其顯著的優(yōu)點而受到特別重視?？傊瑱C械手是提高勞動生產率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的一個重要手段。國內外都十分重視它的應用和發(fā)展。 可編程序控制器(PLC)是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的實時工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經成為工廠自動化的標準配置之一。 由于自動化可以節(jié)省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優(yōu)越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學，因此工業(yè)領域中廣泛應用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應用較多，如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產線上應用智能機器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機械手還比較少。本次課題設計的機械手就是通過PLC來實現(xiàn)自動化控制的。通過此次設計可以更進一步學習PLC的相關知識，了解世界先進水平，盡可能多的應用于實踐。 1.2 國內外機械手研究概況 機械手自二十世紀六十年代初問世以來，經過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經成為制造業(yè)生產自動化中重要的機電設備。目前，正式投入使用的絕大部分機械手屬于第一代機械手，即程序控制機械手。這代機械手基本上采用點位控制系統(tǒng)，沒有感覺外界環(huán)境信息的感覺器官，主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機械手具有感覺器官，仍然以程序控制為基礎，但可以根據外界環(huán)境信息對控制程序進行校正。這代機械手通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應的適應性算法?，F(xiàn)在，第三代機械手正在第一、第二代機械手的基礎上蓬勃發(fā)展起來，它是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復雜信息進行準確處理，對自己行為做出自主決策能力的智能化機械手。它能識別景物，具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺，能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作，具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能。 目前機械手技術有了新的發(fā)展：出現(xiàn)了仿人型機械手、微型機械手和微操作系統(tǒng)（如細小工業(yè)管道機械手移動探測系統(tǒng)、微型飛行器等）、機械手化機器、智能機械手（不僅可以進行事先設定的動作，還可按照工作狀況相應地進行動作，如回避障礙物的移動，作業(yè)順序的規(guī)劃，有效的動態(tài)學習等）。機械手的應用領域正在向非制造業(yè)和服務業(yè)方向擴展，并且蓬勃發(fā)展的軍用機械手也將越來越多地裝備部隊。 國外方面：近幾年國外工業(yè)機械手領域有如下幾個發(fā)展趨勢。機械手性能不斷提高，而單機價格不斷下降；機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展；控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。 國內方面：目前在一些機種方面，如噴涂機械手、弧焊機械手、點焊機械手、搬運機械手、裝配機械手、特種機械手（水下、爬壁、管道、遙控等機械手）基本掌握了機械手操作機的設計制造技術，解決了控制驅動系統(tǒng)的設計和配置，軟件的設計和編制等關鍵技術，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線及其周邊配套設備的全套自動通信、協(xié)調控制技術；在基礎元件方面，諧波減速器、機械手焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破。從技術方面來說，我國已經具備了獨立自主發(fā)展中國機械手技術的基礎。 1.3課題研究的內容和預計達到目的 本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設計，包括硬件的設計和軟件的設計。通過設計編制PLC程序實現(xiàn)機械手模型控制系統(tǒng)的自動控制。利用組態(tài)軟件MCGS設計出人機界面，進行設備和數據對象的連接，實現(xiàn)動畫連接，實現(xiàn)機械手的監(jiān)控。通過MCGS將機械手的動作過程進行動畫演示，使機械手的動作形象化。提供較為直觀、清晰、準確的機械手運行狀態(tài)，為維修和故障診斷提供多方面的可能性，充分提高系統(tǒng)的工作效率。 本課題要達到的目的有：1.機械手的機構能滿足其動作要求，實現(xiàn)相應功能。2.上升，下降，夾緊等動作的實現(xiàn)手段。3.電動機正反轉的控制。4.運用PLC控制動作的轉換4.完成基本設計后要達到以下要求：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠，斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。 第2章機械手介紹 在本課題中機械手主要是由執(zhí)行機構，控制系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)三部分所構成。其中執(zhí)行機構即機械手的機械部分，由于此課題主要研究的是通用機械手的控制系統(tǒng)設計，所以在這里不需要再另外進行機械部分的設計，所以這里只做簡要的介紹。顧名思義在本課題中執(zhí)行機構即是指機械手，而機械手又由手指，關節(jié)，大臂，小臂，支座等幾部分構成，通過這幾部分來模擬人手臂，以期完成需要的動作實現(xiàn)其功能。與此同時在該裝置中驅動系統(tǒng)主要采用電機驅動，通過電機來給予整個裝置提供動力和運動支持，它的選擇是經過與其他驅動方式相互比較后得來的，這一點在后面的論文中會有詳細的介紹。最后關于機械手的控制系統(tǒng)的選擇及其控制功能的實現(xiàn)，由于PLC軟件具有簡單易學，使用和維護方便，運行穩(wěn)定可靠，設計施工周期短等優(yōu)點，因此這里選擇的是PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)。 2.1機械手驅動系統(tǒng)選型 該機械手一共具有三個獨立的轉動關節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要三個動力源。機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表1 表2-1三種驅動方式的特點對照 內容 驅動方式 液壓驅動 氣動驅動 電機驅動 輸出功率 ? 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達Pa ? 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應速度 ? 很高 較高 ? 很高 結構性能及體積 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小 伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機械手中應用范圍 適用于重載、低速驅動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手 適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手，如沖壓機械手本體的氣動平衡及裝配機械手氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 機械手驅動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手的驅動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅動系統(tǒng)的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換； 3）．驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。? 4）．安全可靠； 5）．操作和維護方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要小； 7）．經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅動系統(tǒng)的特點和機械手驅動系統(tǒng)的設計要求，本文選用電機驅動的方式對機械手進行驅動。 2.2機械手控制系統(tǒng)選型 傳統(tǒng)的工業(yè)設備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實現(xiàn)，這種控制方式投資相對少一些，目前僅在一些舊式的、簡單的工業(yè)設備中還有一定市場，但該控制方式卻有以下致命缺陷：（1）僅適合于簡單的邏輯控制；（2）僅適合特殊的工程項目，而沒有通用性；（3）沒有改動和優(yōu)化的可能性。伴隨著工業(yè)自動化技術的迅速發(fā)展，我國工業(yè)領域的自動化已經基本實現(xiàn)了從繼電器控制到計算機控制的轉變，計算機控制方式具有以下兩個特點：（1）硬件上至少有一個微處理器；（2）通過軟件實現(xiàn)控制思想。目前，工業(yè)自動化領域比較典型的控制方式有：（1）可編程序邏輯控制器（PLC）；（2）工業(yè)控制計算機（IPC）；（3）集散控制系統(tǒng)（DCS）。下面對著三種控制方式做簡要的介紹和對比： 計算機是為了滿足快速大量數據處理要求的設備。硬件結構方面，總線標準化程度高，兼容性強，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。 集散系統(tǒng)從工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到以工業(yè)控制計算機為中心的集散系統(tǒng)，所以其在模擬量處理、回路調節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，初期主要用在連續(xù)過程控制，側重回路調節(jié)功能。PLC是由繼電器邏輯系統(tǒng)發(fā)展而來，主要應用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統(tǒng)，側重于開關量順序控制方面。 近年來隨著微電子技術、大規(guī)模集成電路技術、計算機技術和通信技術等的發(fā)展，PLC在技術和功能上發(fā)生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎上，增加了數值運算、閉環(huán)調節(jié)等功能，增加了模擬量和PID調節(jié)等功能模塊；運算速度提高，CPU的能力趕上了工業(yè)控制計算機；通信能力的提高發(fā)展了多種局部總線和網絡(LAN)，因而也可構成為一個集散系統(tǒng)。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統(tǒng)中。PLC在過程控制的發(fā)展將是一智能變送器和現(xiàn)場總線，暨向下拓展功能，開放總線。 在微電子技術發(fā)展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業(yè)計算機、集散系統(tǒng)(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。 由于PLC和計算機屬于兩類產品，經過幾十年的發(fā)展都形成了自身的裝置特點和軟件工具，實際上它們的區(qū)別仍然存在。 PLC用編程器或計算機編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統(tǒng)自身或用計算機結構形成組態(tài)構成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。 特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機的區(qū)別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行，但在線運行時若要進行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機，但是從開關量控制而言，PLC的性能優(yōu)于STD工控機。 總的來說，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現(xiàn)場環(huán)境和經濟性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的，也沒有哪種產品絕對差，只能說根據不同的環(huán)境選擇更適用的產品。 PLC實現(xiàn)的自動控制系統(tǒng)，其控制功能基本都是通過設計軟件來實現(xiàn)的，這種軟件是利用PLC廠商提供的指令系統(tǒng)，根據機械設備的工藝流程來設計。 PLC自問世以來，經過20多年的發(fā)展，在美國、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要產業(yè)，當前，PLC在國際市場上已成為最受歡迎的工業(yè)控制暢銷產品，用PLC設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。 PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求：高可靠性、強抗各種干擾的能力。編程安裝使用簡便、低價格長壽命。比之單片機，它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC的下端（輸入端）為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機。人們在應用它時，可以不必進行計算機方面的專門培訓，就能對可編程控制器進行操作及編程，用來完成各種各樣的復雜程度不同的工業(yè)控制任務。 PLC具有很多的優(yōu)點。機械手控制系統(tǒng)若采用PLC控制，體積小、重量輕、控制方式靈活、可靠性高、操作簡單、維修容易。由于PLC所具有的靈活性、模塊化、易于擴展等特點，可以根據現(xiàn)場要求實現(xiàn)機械手的不同工作要求。機械手采用PLC控制技術，可以大大提高該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，用PLC控制系統(tǒng)可方便地更改生產流程，增強控制功能。 綜上所述，機械手的控制方式選擇PLC控制(這里采用最新版的S7-200系列PLC). 第3章S7-200系統(tǒng)的基本介紹 S7-200PLC是德國西門子公司生產的一種小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC一樣，因此，它一經推出，即受到了廣泛的關注。在2000年以前，西門子在中國市場的PLC產品主要是大中型的PLC，日本的小型PLC占據了中國的大部分市場份額。在S7-200推出后，這種情況得到了明顯的改變，最近幾年以來的小型PLC市場上S7-200成為了主流產品。 西門子最早的小型PLC產品是在上世紀末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的產品所取代了。由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網絡。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務?，F(xiàn)在最新版的S7-200系列PLC是在2004年推出的，它的主要特點是：較高的可靠性，豐富的指令集，豐富的內置集成功能，實時特性強和強大的通信能力。 3.1 S7-200硬件系統(tǒng)基本構成 S7-200PLC屬于小型PLC，其主機的基本結構是整體式，主機上有一定數量的輸入/輸出（I/O）點，一個主機單元就是一個系統(tǒng)。它還可以進行靈活的擴展，如果I/O點數量不夠，則可以增加I/O擴展模塊；如果需要其他特殊的功能，則可以增加相應的功能模塊。一個完整的系統(tǒng)組成由主機單元，擴展單元，特殊功能模塊，相關設備，軟件五部分構成，其構成如圖3-1所示。 圖3-1 主機單元：又叫基本單元或CPU模塊。它是由CPU、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等組成，是PLC的主要部分。實際上它就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的控制任務。 擴展單元：也稱擴展模塊。當主機I/O點數量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據需要擴展各種I/O模塊。根據I/O點數的數量不同（如4點，8點，16點等），性質不同（如DI,DO,AI,AO等），供電電壓不同（如DC24V,AC220V等），I/O擴展模塊有多種類型。每個CPU所能鏈接的擴展單元的數量和實際所能用的I/O點數是由多種因素共同決定的。S7-200的I/O擴展模塊有EM221，EM222，EM223，EM231,EM232，EM235等。在此次的控制系統(tǒng)設計中由于其主程序的網絡有三十多條但PLC只提供了25條輸入網絡因此需要用到一個輸入擴展模塊EM221，這里選擇使用一個16點的DC。 特殊功能模塊：當需要完成某些特殊功能的控制任務時，需要擴展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務的一些裝置，如運動控制模塊，特殊通信模塊等。 相關設備：相關設備是為充分利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)，使用的一些設備，主要有編程設備，人機操作界面和網絡設備等。 軟件：軟件是為管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，對S7-200PLC來說，與其配套的軟件主要有編程軟件STEP7-Micro/WIN和HMI人機界面的組態(tài)編程軟件ProTool，WinCC fexible。在這里選用的是STEP7-Micro/WIN軟件。 3.2 S7-200PLC內部資源 軟元件：用戶使用的PLC中的每一個輸入/輸出，內部存儲單元，定時器等都稱作軟元件。軟元件有其不同的功能，有固定的地址。軟元件的數量決定了可編程控制器的規(guī)模和數據處理能力，每一種PLC的軟元件數量是有限的。在該設計方案中，需要用到的軟元件有輸入繼電器，輸出繼電器，通用輔助繼電器，變量存儲器，定時器等。 1.輸入繼電器位于PLC存儲器額的輸入過程映像寄存器（Process-Image Input Register）區(qū)，其外部有一對物理的輸入端子與之對應，該觸點用于接收外部的開關信號，比如按鈕，行程開關，光電開關等傳感器的信號都是通過輸入繼電器的物理端子接入到PLC的。當外部的開關信號閉合，則輸入繼電器的線圈得電，在程序中其常開觸電閉合，常閉觸電斷開。這些觸點可以在編程時任意使用，使用次數不受限制。 每個輸入繼電器都對應有一個映像寄存器，在每個掃描周期的開始，PLC對個輸入點進行采樣，并把采樣值通過輸入繼電器送到映像寄存器。PLC在接下來的本周期各階段不在改變輸入映像寄存器中的值，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。 實際輸入點數不能超過PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數量，具有地址而未用的輸入映像區(qū)可能有剩余，它們可以做其他編程元件使用，但為了程序的清晰和規(guī)范，建議不報這些未用的輸入繼電器作為它用。 2.輸出繼電器位于PLC存儲器的輸出過程映像寄存器（Process-Image Outout Register）區(qū)，都有一個PLC上的物理輸出端子與之對應。當通過程序使得輸出繼電器線圈得電時，PLC上的輸出端開關閉合，可以作為控制外部負載的開關信號。同時在程序中其常開觸電閉合，常閉觸電斷開。這些內部的觸點可以在編程時任意使用，使用次數不受限制。 在每個掃描周期的輸入采樣、程序執(zhí)行等階段，并不把輸出結果信號直接送到輸出繼電器，而只是輸出映像寄存器；只有在每個掃描周期的最后階段才將輸出映像寄存器中的結果同時送到輸出鎖存器，對輸出點進行刷新。實際輸出點數不能超過PLC所提供的具有外部接線端子的輸入繼電器的數量，未用的輸出映像寄存器可做它用；但為了程序的清晰和規(guī)范，建議不使用這些未用的輸出繼電器。 3.通用輔助繼電器（或中間繼電器）位PLC存儲器的位存儲器（Bit Memory Area）區(qū)，其作用和繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器相同，它在PLC中沒有外部的輸入端子或輸出端子與之對應，因此它不能受外部信號的直接控制，其觸點也不能直接驅動外部負載。這是它與輸入繼電器和輸出繼電器的主要區(qū)別。它主要用來在程序設計中處理邏輯控制任務。 4.變量存儲器（Variable Memory）用來存儲變量的值，他可以存放程序執(zhí)行過程中的控制邏輯操作的中間結果，也可以使用變量存儲器來保存與工序或任務相關的其他數據。這些數據或值可以是數值，也可以是“1”或“0”這樣的位邏輯值。在進行數據處理時或使用大量的存儲單元邏輯時，變量存儲器會經常使用。 5.定時器(Timer)是可編程序控制器中重要的編程元件，是累計時間增量的內部器件。電氣自動控制的大部分領域都需要用定時器進行時間控制，靈活地使用定時器可以編制出復雜動作的控制程序。 定時器的工作過程與繼電接觸控制系統(tǒng)的時間繼電器基本相同，但他沒有瞬動觸點。使用時要提前輸入時間預設值，當定時器的輸入條件滿足時開始計時，當前值從0開始按一定的時間單位增加；當定時器的當前值達到預設值時，定時器觸點動作。利用定時器的觸點就可以完成所需要的定時控制任務。 第4章電機和傳感器選擇 4.1電機選擇 步進電機驅動器主要有電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分等。驅動器參數如下表4-1、表4-2、表4-3、表4-4所示。PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理，如圖4-2所示。步進電機驅動器有電源輸入部分、信號輸入部分、信號輸出部分等，利用驅動器可以很方便的對步進電機的轉速、方向進行控制。驅動器電源由面板上電源模塊提供，驅動器信號端采用+24V供電，需加1.5K限流電阻（見圖4-2中1.5K電阻）。驅動器輸入端為低電平有效。PLC通過控制其輸出點來控制驅動器光耦的開合，當PLC輸出線圈得電 表4-1 電氣規(guī)格 說明 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 18 24 40 V 均值輸出電流 0.21 1 1.50 A 邏輯輸入電流 6 15 30 mA 步進脈沖響應頻率 — — 100 kHz 脈沖低電平時間 5 — 1 μs 表4-2 電流設定 電流值 SW1 SW2 SW3 0.21A OFF ON ON 0.42A ON OFF ON 0.63A OFF OFF ON 0.84A ON ON OFF 1.05A 0FF ON OFF 1.26A ON OFF OFF 1.50A OFF OFF OFF 表4-3 細分設定 細分倍數 步數/圈（1.8Ｏ整步） SW4 SW5 SW6 1 200 ON ON ON 2 400 OFF ON ON 4 800 ON OFF ON 8 1600 OFF OFF ON 16 3200 ON ON OFF 32 6400 OFF ON OFF 64 12800 OFF ON OFF 由外部確定 動態(tài)改細分/禁止工作 OFF OFF OFF 表4-4 接線信號描述 信 號 功 能 PUL 脈沖信號：上升沿有效，每當脈沖由低變高時電機走一步 DIR 方向信號：用于改變電機轉向，TTL平驅動 OPTO 光耦驅動電源 ENA 使能信號：禁止或允許驅動器工作，低電平禁止 GND 直流電源地 +V 直流電源正極，典型值+24V A+ 電機A相 A- 電機A相 B+ 電機B相 B- 電機B相 時，晶體管導通，相應的觸電輸出低電平，使驅動器光耦導通，當PLC輸出線圈失電時，晶體管關斷，使驅動器光耦截止。另外若不采用驅動器，而采用PLC輸出觸點直接驅動步進電機，會占用很多的輸出觸點，同時給編程帶來不便。 圖4-1 PLC控制器與步進電機驅動器連接及工作原理 4.2傳感器選擇 本裝置中使用的傳感器有接近開關和行程開關?；蜌鈯A的正反轉限位采用接近開關（金屬傳感器），通過調整基座和氣夾上的金屬塊的位置，可以在一定范圍內改變基座 圖4-2 傳感器工作原理圖 和氣夾的旋轉角度。機械手的伸縮、升降均采用行程開關來限位，并通過改變行程開關的位置來調節(jié)橫軸和豎軸的運動范圍。 1、接近開關：接近開關有三根連接線（棕、蘭、黑）棕色接電源的正極、藍色接電源的負極、黑色為輸出信號，當與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平。與PLC之間的接線圖如下，當傳感器動作時，輸出端對地接通。PLC內部光耦與傳感器電源構成回路，PLC信號輸入有效，工作原理如上圖所示。 2、行程開關：當檔塊碰到開關時，常開點閉合。 第5章控制部分設計 機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。 分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉鼓、穿孔帶內；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可以反復使用；穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件，則根據動作的復雜程序和精確程序來確定。 對動作復雜的機械手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復雜的機械手采用數字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉鼓。它裝有許多凸輪，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉鼓運動一周便完成一個循環(huán)。 5.1電機正反轉的實現(xiàn) 由于搬運機械手的工作是一種往復運動，就要求電動機能可逆運行。由電動機原理可知，三相異步電動機的三相電源進線中任意兩相對調，電動機即可反向運轉。因此，可借助接觸器改變定子繞組相序來實現(xiàn)正反向的切換工作，其線路如圖5-1所示。 當出現(xiàn)誤操作，即同時按正反向啟動按鈕SF2和SF3時，若采用5-1（a）所示線路，將造成短路故障，如圖中虛線所示因此正反相間需要有一種連鎖關系。通常采用圖5-1（b）所示的電路，將其中的一個接觸器的常閉觸點串入另一個接觸器線圈電路，則任一接觸器線圈先帶電后，即使按下相反方向按鈕，另一接觸器也無法得電。這種連鎖通常稱作互鎖，即兩者存在相互制約的關系。工程上通常還使用帶有機械互鎖的可逆接觸器，進一步保證兩者不能同時通電，提高可靠性。 圖5-1（b）所示的電路要實現(xiàn)反轉運行，必須先停止正轉運行，再按反向啟動按鈕才行，反之亦然。所以這個電路稱作“正-停-反”控制。圖5-1（c）所示的電路可以實現(xiàn)不按停止按鈕，直接按方向按鈕就能使電動機反向工作。這個電路稱作“正-反-?！笨刂?。 在這里我們選擇圖5-1（c）所示的電路圖。 圖5-1正反向工作的控制線路 5.2 PLC程序編寫 （1）輸入/輸出點地址分配 輸入點： 輸出點： 啟動按鈕SF1 I0.0 原始位置指示燈PG Q0.0 停止按鈕SF2 I0.1 抓放物體手指MB Q0.1 上限位開關BG1 I0.2 下行接觸器QA1 Q0.2 下限位開關BG2 I0.3 上行接觸器QA2 Q0.3 左限位開關BG3 I0.4 右行接觸器QA3 Q0.4 右限位開關BG4 I0.6 左行接觸器QA4 Q0.5 （2）系統(tǒng)功能如圖5-2所示，梯形圖如圖5-3所示，語句表如圖5-4所示。 （3）簡要說明 a．在機械臂上、下、左、右行走的控制中，使用了一個軟件連鎖粗點，替代了SM0.0. b.S7-200PLC的順控指令不支持直接輸出（=）的雙線圈操作。如果在圖5-2中的狀態(tài)S0.1的SCR段有Q0.2（下行）輸出，在狀態(tài)S1.0的SCR段也有Q0.2輸出，則不管在什么情況下，在前面的Q0.2永遠不會有效。這是S7-200PLC順控指令設計方面的缺陷，給用戶的使用帶來了極大的不便。所以在使用S7-200PLCD的順控指令時一定不要有雙線圈輸出。為解決這個問題，可采用中間繼電器邏輯過渡一下。凡是有重復使用的相同輸出驅動，在SCR段中先用中間繼電器表示其分段的輸出邏輯，在程序的最后再進行合并輸出處理。但左行時只有在狀態(tài)S1.3中用到了Q0.5，所以就不用中間過渡處理了。 圖5-2 機械臂裝置功能圖 圖5-3機械臂裝置梯形圖 圖5-4 機械臂裝置語句表 5.3 PLC程序調試 由于PLC是專門為工業(yè)生產環(huán)境設計的控制裝置，因此一般不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。但環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，都將不能保證PLC正常、安全、可靠的運行。因此，討論PLC設計調試就具有十分重要的意義。 1、 輸入接線 （1）輸入接線一般不要超過30m。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。 （2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。 （3）利用普通二極管恰當的串接在PLC輸入回路中，防止信號干擾，使PLC輸入信號大大增強。 2、電源接線 電源是PLC引入干擾的主要途徑之一，PLC應盡可能取用電壓波動較小、波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大幫助。PLC的供電線路應與其他大功率用電設備或強干擾設備（如高頻爐、弧焊機等）分開。為了提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，可編程序控制器供電回路一般可采用隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、晶體管開關電源等。我們正是用了隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器來抗干擾。隔離變壓器是初級和次級之間采用隔離屏蔽層，用漆包線或同等非導磁材料組成，電器回路上不允許短路，兩極各引出一個接地抽頭。初級與次級之間的靜電屏蔽要聯(lián)結到零點位，接地抽頭配電容耦合最后引出到接地點。在選用交流穩(wěn)壓器時，一般可按照實際最大需求容量的130%計算。這樣可以保證穩(wěn)壓特性又有助于穩(wěn)壓器工作可靠。 PLC供電電源為50Hz、220V±10%的交流電。由于本設計使用的是STEP7系列可編程控制器，所以有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入及傳感器（如光電開關或接近開關）提供直流24V電源。 3、接地 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。對PLC控制系統(tǒng)而言，它屬高速低電平控制裝置，應采用直接接地方式。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。所以我們給可編程控制器接上了專用接地線。 在程序調試過程中出現(xiàn)了一系列的問題，但最終都一一解決了。在使用STL指令編程時，剛開始由于對STL指令掌握的不是很好，所以犯了不少錯誤，加上機械手模型裝置本身存在的一些問題，所以在調試程序時，機械手動作不符合控制要求。經過不斷查閱資料，研究、改進，最終程序調試成功。機械手運行良好，動作正確、符合控制要求。 第6章 總 結 在本次課題設計中，機械手模型控制系統(tǒng)采用PLC進行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動化程度，減少了大量的中間繼電器、時間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時，使用PLC進行控制可方便更改生產流程，增強控制功能。通過本次設計，可以根據工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數，實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的不同工作需求，機械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操作性。 可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性，在機械手控制系統(tǒng)的設計中起了非常重要的作用，但在PLC控制的過程中還有許多的問題需要解決，本人在設計的過程中遇到了許多的問題，但經過努力和查找個方面的資料最終都解決了。該搬運機械手充分利用了自動化技術，根據應用工況的情況，選擇相應功能和參數的模塊，像搭積木一樣進行組合。這是一種先進的設計思想，反映了自動化技術未來的發(fā)展方向，也將始終貫穿于機械手的開發(fā)及應用中。該機械手既可以用于專用的場合，又可以作為通用機械手用于其它的工業(yè)場合，手部可以按需要配置其它機構，適用范圍較廣 主要參考文獻 [1]王本軼. 機床設備控制基礎[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 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[10] http://epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx 致 謝 時光的流逝也許是客觀的，然而流逝的快慢卻純是一種主觀的感受。當自己 終于可以從考研、找工作、畢業(yè)論文的壓力下解脫出來，長長地吁出一口氣時， 我忽然間才意識到，原來四年已經過去，到了該告別的時候了。一念至此，竟有些恍惚，所謂白駒過隙、百代過客云云，想來便是這般惆悵了?？墒菒澣恢?總要說些什么。大學四年，生活其實很簡單，只是一些讀書、寫字和考試的周而復始。如果把這種單調的生活看作一場場循環(huán)的演出，那么我只是一個安靜的演員。這篇畢業(yè)論文也稱不上什么精彩的臺詞，只不過是這種循環(huán)演出即將告一段落時的謝幕詞。但是無論多么蹩腳的演員，無論臺下有多少觀眾，即使是只說給自己聽，在他謝幕時也總要感激一些人，是這些人幫助他走上舞臺，成功或者不那么成功地“演出”。我在這里首先要感謝的是我的學位論文指導老師——徐志遠老師。這篇畢業(yè)論文從開題、資料查找、修改到最后定稿，如果沒有他的幫助，尚不知以何等糟糕的面目出現(xiàn)。我很自豪有這樣一位老師，他值得我感激和尊敬。 感謝和我共度四年美好大學生活的2010級機械設計制造及其自動化四班的全體同學。感謝興湘學院所有授課老師，你們使我終身受益。感謝所有關心、鼓勵、支持我的家人、親戚和朋友。 37