基于PLC工业机械手控制系统设计.docx
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基于PLC工业机械手控制系统设计
摘要
随着工业生产自动化程度的不断提高，工业机械手在生产现场的流水线中扮演着越来越重要的作用，已成为现代化工业生产中不可缺少的重要环节。
本文基于PLC控制和计算机监控的相关理论，根据工业机械手的控制要求，完成了其运动控制设计以及组态监控系统构建，对控制系统的总体构造、控制流程以及构成系统的各个模块的功能和控制方式进行了研究；本论文的控制对象是由三个搬运机械手组成的机械手群，每个机械手完成8个基本动作，三个机械手互相配合动作。
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。
系统的驱动模块由伺服电机驱动器和气压驱动两部分组成;执行部件分别为伺服电机和气缸；机械部件包括基座、滚珠丝杠和导向支撑部件等；监控部分由安装有组态王软件的个人计算机构成。
本论文的主要工作侧重于对机械手的运动控制设计以及上位机组态监控设计。
控制方面的工作有；对系统前后端控制电路的设计，该部分用于传感器信号采集以及控制面板上按钮信号采集；对软件控制流程的制定和控制程序的编写，该部分使得系统能够按照控制要求以手动和自动两种方式进行工作；驱动模块和执行部件的参数计算和设置，包括对伺服电机的选型、伺服放大器的减速比以及电子齿轮比等控制参数的计算和选取、伺服放大器与PLC的连接方式、气压驱动方式中的中间继电器、电磁阀和气缸相互的控制接线等。
另外，监控系统设计方面的工作主要包括组态王的设备配置和通信参数设置、监控画面的设计、动画连接、数据库的构建、命令语言的编写等；PLC采集的现场信号及输出信号的状态变化通过组态王内构建的数据库实时更新，将机械手的运动状况实时地在监控画面上进行显示。
通过上述工作，机械手最终能够按照控制程序的要求进行运动，并且实现了上位机监控系统对本机械手的直观形象观测，达到了本论文的设计目的和要求。
关键词：
可编程控制器（PLC）；气动机械手；梯形图
第1章绪论
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能的人和机器各自的优点,特别是反映了人的智能和适应性。
机械手操作的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有广泛的发展前景。
机械手的概念
中国国家标准（GB/T12643-90）机械手的定义：
“已经和手臂的类似行动函数,可以把在太空中把握对象,或其他操作机制。
”
机械手可以分为两类，用机械手和通用机械手，专用机械手：
子公司整个机器的一部分，简单的操作，工作对象单一、固定可调（有时）计划，使用大量的自动化生产；如自动上料机械手在生产线上，自动换刀机械手，组装焊接机械手装置等；一般机械手：
过程变量，动作灵活的汇率操纵国；适用于可变换生产品种的中小批量生产自动化，工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。
机械手最早应用在汽车制造行业，通常用于焊接、喷漆、加载和处理；机械手扩展，扩大人的兄弟和大脑功能，它可以代替人们从事危险、有害的，有毒的，低温等恶劣环境和工作高烧、而不是沉重，重复性劳动，提高劳动生产率，确保产品的质量；主要用于制造业，特别是电器制造业、汽车制造业、塑料加工、通用机械制造和金属加工行业，机械手与数控加工中心、自动处理汽车自动检测系统可以形成一个柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现自动化生产；随着生产的发展，不断提高和增强的功能和性能，扩大应用领域的操纵者。
气动机械手的简介
气动技术
气动技术是以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或者信息的流体传动技术，其将压缩空气经由管道和控制阀输送给气动执行元件，将压缩气体的压力能转化为机械能。
它包含气压传动和气动控制两方面的内容。
气压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一，特别是随着机电一体化技术的发展，通过与微电子技术和计算机技术相结合，气压传动进入了一个新的发展时期。
通过与各种元件组成不同的功能的基本回路，再由若干基本回路有机组合成具有一定控制功能的传动系统，是运动控制系统一个重要组成部分。
气动机械手
气动系统由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件组成，由原动机机获得气源，经空气压缩机、后冷却器、油水分离器和气罐，得到清洁、干燥的空气，经过控制装置和执行元件，实现压力能到机械能的转换。
随着气动技术获得了快速发展，其中利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术。
气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表1.1给出了各种控制方式的比较
表1.1各种控制方式的比较
项目
气压传动
液压传动
电气传动
机械传动
系统结构
简单
复杂
复杂
较复杂
安装自由度
大
大
中
小
输出力
稍大
大
小
不太大
定位精度
一般
一般
很高
高
续表1.1
动作速度
大
稍大
大
小
响应速度
慢
快
快
中
清洁度
清洁
可能污染
清洁
较清洁
维护
简单
比气动复杂
需要专门技术
简单
价格
一般
稍高
高
一般
技术要求
较低
较高
最高
较低
控制自由度
大
大
中
小
危险性
几乎没问题
注意火
一般无问题
无特殊问题
气动机械手是在己有的机械手基础上发展起来的。
二者之间的区别在于气动机械手发展的起点颇高，它强调模块化的形式，把专用机械手和通用机械手结合起来。
气动机械手的发展趋势
尽管世界工业经济发展放缓，使得气动机械手的发展受到一定的影响，然而，作为新兴科学技术的产物，气动机械手的发展势不可挡。
目前，气动机械手的发展呈现出了以下趋势:
1．结构模块化
2．控制智能化
3．感觉功能变强
4．系统应用与集成化
5．可靠性越来越高
6．易操作更灵活
7．向微型化方向发展
第2章方案论证
机械手的设计
气动搬运机械手的结构
许多不同种类的机器人,但手臂协调类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA型。
本文所针对的机械手属于圆柱坐标式，如图2.1所示，机械手主要是由基座和手臂两部分组成。
基座的主要的任务是支撑和完成手臂回转。
手臂装在基座上，作上下直线运动，手部可夹紧/放松。
图2.1机械手原理图
本机械手的全部动作由气缸驱动。
气缸由电磁阀、气动比例阀控制。
驱动部分有升降气缸、摆动气缸和手部驱动气缸。
气动搬运机械手的工作原理
本机械手采用气压驱动，使用的是压力为0.6MPa，最高可达1MPa。
这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度，用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。
机械手的全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种机械手。
机械手的工作流程如图2.2所示。
图2.2工作流程
其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0-1500mm;转动是通过摆动气缸、轴向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成，摆动工作行程为0~1800mm;手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩量来调整。
气动搬运机械手群
气动搬运机械手群结构
本论文的控制对象是由三个机械手组成的机械手群。
其结构如图2.3所示。
图2.3机械手群结构
三个机械手、三个工作台和三个红外检测器固定在一个大型的基座上。
每个机械手的手部正下方都有工作台，用于放置物品。
在每个机械手的基座和工作台之间都有一个红外检测器，用于检测物品台上是否有物品。
机械手把物品从右面的工作台上移到左面的工作台上。
气动搬运机械手群工作原理
当系统工作开始时，工作台A上有物品时，机械手1首先工作，完成8个基本操作后（即一个循环），把物品放在工作台B上，机械手2便启动工作，同样完成一个循环后，把物品放在工作台C上，机械手3启动工作，这样3个机械手不断的循环工作；当系统工作结束时，机械手1首先完成一个循环后停止，然后机械手2、机械手3也顺序依次停止工作。
机械手控制方案
为了实现对气动搬运机械手群的自动控制，本系统采用PLC做控制器。
本系统的开关量输入信号为数字信号，直接连接PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。
系统框图如图2.4所示。
图2.4系统框图
第3章
系统硬件电路的设计
PLC的简介
可编程控制器的概念
PLC（可编程逻辑控制器），以下简称PLC；国际电工委员会（IEC）1985年，标准草案起草3中的PLC，PLC在下面的定义:
“一个可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中的应用；它使用一个可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令；并通过数字和模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程；可编程序控制器及相关设备，应根据工业控制系统很容易形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。
PLC具有如下特点：
1、编程方法简单易学。
2、功能强，性能价格比高。
3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。
4、可靠性高，抗干扰能力强。
5、系统的设计、安装、调试工作量少。
6、维修工作量小，维修方便。
7、体积小，能耗低。
PLC的应用领域
PLC的应用范围通常分成以下5种类型：
1．顺序控制
这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。
PLC应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。
例如：
注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。
2．运动控制
PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置，每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。
相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便，
3．过程控制
PLC还能控制大量的过程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度等。
PID模块提供了使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
4．数据控制
在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据控制。
5．通信控制
PLC的通信包括主机与远程I/O的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
PLC的系统组成
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
PLC的结构框图如图3.1所示。
1、中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。
2、存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器包括用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。
第一部分为系统管理程序。
第二部分为用户指令解释程序。
第三部分为标准程序与系统调用。
图3.1PLC的结构框图
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF状态和数值、数据等。
用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。
PLC使用的存储器类型有三种。
第一种是随机存取存储器（RAM）；第二种是只读存储器（ROM）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或EPROM）。
3、输入/输出模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出模块从广义上分包含两部分：
一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。
输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。
输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。
4、电源模块
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。
5、接口模块
接口模块用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。
6、通信接口
为了实现“人─机”或“机─机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。
PLC通过接口可以与监视器，打印机和其他的PLC或计算机相连。
7、编程器
编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。
智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话
8、其他部分
有些PLC还可配有EPROM写入器、存储器等其他外部设备。
PLC的工作原理
PLC是一种工业控制计算机,，因此，它的工作原理是基于计算机的工作原理，或通过执行反映用户程序来实现控制要求，但CPU分时方式处理各种任务，计算机只能做一件事在每一刻程序的执行是电器零件订单，根据计划完成相应的动作，这属于一个系列作品；可用PLC工作运行的整个过程图如图2.2所示。
总之，PLC是一种集中输入、输出循环扫描方式；扫描周期的过程中控制是一个技术指标更重要；一般来说，更大的扫描周期，这意味着需要扫描的时间越长，所需的宽度输入信号后，控制周期越长越大，控制速度会减少。
PLC的过程可以分为三个部分。
第一部分是处理,第二部分是扫描过程，第三部分是错误处理。
2.2PLC运行框图
输入/输出信号
本控制系统由27个输入开关量，分别为系统启动按钮1个，负责整个系统的启动；系统停止按钮1个，负责整个系统的停止；选择按钮1个，负责机械手自动控制和检测的切换；机械手的启动按钮3个，负责检测时每个机械手的启动；机械手的停止按钮3个，负责检测时每个机械手的停止；物品检测开关3个，负责检测工作台上是否有物品；下降限位开关3个，负责机械手到最低位置时停止下降；夹放检测开关3个，负责机械手夹放物品的检测；上升限位开关3个，负责机械手到最高位置时停止上升；右旋限位开关3个，负责机械手右旋180度后停止；左旋限位开关3个，负责机械手左旋180度后停止。
建立输入信号名称与电气符号表3.1：
表3.1输入信号名称与电气符号表
序号
名称
电气符号
1
总启动按钮
SB1
2
总停止按钮
SB2
3
自动/手动选择按钮
SB3
4
机械手1启动按钮
SB4
5
机械手1停止按钮
SB5
6
机械手2启动按钮
SB6
7
机械手2停止按钮
SB7
8
机械手3启动按钮
SB8
9
机械手3停止按钮
SB9
10
工作台A物品检测开关
SQ1
11
工作台B物品检测开关
SQ2
12
工作台C物品检测开关
SQ3
13
机械手1下降限位开关
SQ4
14
机械手1夹紧检测开关
SQ5
15
机械手1上升限位开关
SQ6
续表3.1
16
机械手1左旋限位开关
SQ7
17
机械手1右旋限位开关
SQ8
18
机械手2下降限位开关
SQ9
19
机械手2夹紧检测开关
SQ10
20
机械手2上升限位开关
SQ11
21
机械手2左旋限位开关
SQ12
22
机械手2右旋限位开关
SQ13
23
机械手3下降限位开关
SQ14
24
机械手3夹紧检测开关
SQ15
25
机械手3上升限位开关
SQ16
26
机械手3左旋限位开关
SQ17
27
机械手3右旋限位开关
SQ18
本控制系统由15个输出电磁阀，分别为机械手下降电磁阀3个，负责驱动机械手的下降；机械手夹放电磁阀3个，负责驱动机械手夹放物品；机械手上升电磁阀3个，负责驱动机械手的上升；机械手右旋电磁阀3个，负责驱动机械手的右旋；机械手左旋电磁阀3个，负责驱动机械手的左旋。
建立输入信号名称与电气符号表3.2：
表3.1输出信号名称与电气符号表
序号
名称
电气符号
1
2
机械手1下降电磁阀
KA1
2
机械手1夹放电磁阀
KA2
3
机械手1上升电磁阀
KA3
4
机械手1左旋电磁阀
KA4
5
机械手1右旋电磁阀
KA5
6
机械手2下降电磁阀
KA6
7
机械手2夹放电磁阀
KA7
续表3.2
8
8
机械手2上升电磁阀
KA8
9
机械手2左旋电磁阀
KA9
10
机械手2右旋电磁阀
KA10
11
机械手3下降电磁阀
KA11
12
机械手3夹放电磁阀
KA12
13
机械手3上升电磁阀
KA13
14
机械手3左旋电磁阀
KA14
15
机械手3右旋电磁阀
KA15
3.2PLC的选型
PLC的选型
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC生产厂家主要有美国的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、德国的西门子（SIMENS）、法国的TE、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。
本文选择的是德国的西门子公司生产的S7-200PLC。
S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。
特别是S7-200CPU22*系列PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，其速度快，具有极强的通信能力，几乎可以完成任何功能的控制任务。
CPU22*系列PLC它有如下五种不同结构的配置单元：
（1）CPU221，它具有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力；
（2）CPU222，它具有8输入/6输出，I/O共计14点，并可以进行一定的模拟量控制和2个模块的扩展；
（3）CPU224，它具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它有七个扩展模块，有内置时钟；
（4）CPU226，它具有24输入/16输出，I/O共计40点，与CPU224相比，它增加了通信口的数量，通信能力大大增强；
（5）CPU226XM，这是西门子公司后推出的一种增强型主机，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。
当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。
I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。
不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。
典型的数字量输入/输出扩展模块有：
输入扩展模块EM221有两种：
8点DC输入、8点AC输入。
输出扩展模块EM222有三种：
8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。
输入/输出混合扩展模块EM223有六种：
分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。
本次设计中共27个输入量，共15个输出量，共计32点，因此选用了S7-200系列CPU224，CPU224具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它可以有七个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7-200产品。
由于本系统的具有27点输入/15点输出，CPU224不能满足本系统的要求，所以扩展DC输入EM221两个，用于数字开关量的输入，扩展继电器输出EM222一个，用于继电器的输出。
控制系统框图如图3.3所示。
图3.3控制系统框
PLC外部接线
本系统的各模块在I/O链中的位置排列方式如图3.2所示。
图3.2各模块链图
表3.6所列为其对应的各模块编址情况。
表3.6各模块编址
主机I/O
CPU224
模块1I/O
EM221
模块2I/O
EM221
模块3I/O
EM222
I0.0
Q0.0
I2.0
I3.0
Q2.0
I0.1
Q0.1
I2.1
I3.1
Q2.1
I0.2
Q0.2
I2.2
I3.2
Q2.2
I0.3
Q0.3
I2.3
I3.3
Q2.3
I0.4
Q0.4
I2.4
I3.4
Q2.4
I0.5
Q0.5
I2.5
I3.5
Q2.5
I0.6
Q0.6
I2.6
I3.6
Q2.6
I0.7
Q0.7
I2.7
I3.7
Q2.7
I1.0
Q1.0
I1.1
Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
第4章软件设计
机械手1控制程序
机械手1位于高位，I2.2=1；位于右位，I2.4=1；不在上升状态，Q0.2=0；不在左旋状态，Q0.3=0。
启动机械手1下降，Q0.0=0；并且使M0.2=1。
机械手1处于下降状态，Q0.0=1；位于右位，I2.4=1；位于低位，I2.0=1。
机械手下降到位，使Q0.0=0；启动机械手1夹紧物品，Q0.1=1。
机械手1处于夹紧状态，Q0.1=1；位于右位，I2.4=1；位于低位，I2.0=1；非上升状态，Q0.2=0。
启动定时器T53，定时5秒。
定时时间到，T53=1；位于右位，I2.4=1；位于低位，I2.0=1；非下降状态，Q0.0=0；启动机械手上升，Q0.2=1。
机械手1处于上升状态，Q0.2=1；位于右位，I2.4=1；位于高位，I2.2=1；停止机械手1上升，Q0.2=0。
并且机械手1非右旋，Q0.4=0，启动机械手1左旋，Q0.3=1。
机械手1处于左旋状态，Q0.3=1；位于高位，I2.2=1；位于左位，I2.3=1。
停止机械手1左旋，Q0.3=0。
并且机械手1非上升状态，Q0.2=0。
启动机械手1下降，Q0.0=1。
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