基于PLC的机械手臂控制课程设计.docx

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基于PLC的机械手臂控制课程设计

课程设计说明书

课程名称:

电气控制PLC课程设计

课程代码:

XXXXXXXX

题目:

基于PLC机械手控制系统

学生姓名:

XX

学号:

XXXXXXXXXXXXX

年级/专业/班:

XXXX级电气自动化X班

学院（直属系）:

XXXXXXX学院

指导教师:

XX

学院名称：

XXXXXX专业：

XXX年级：

2013级

机械手控制系统设计

一、选题背景及题目来源

工业实际项目，可在天科TKPLC-A实验装置机械手装置的模拟控制实验区完成本模拟实验。

二、训练目的

（1）通过使用各基本指令，进一步熟悉掌握PLC的编程和程序调试；

（2）学会绘制电气原理图及接线图；

（3）选择电气元器件；

（4）完成系统硬件和软件设计；

（5）完成模拟实验；

（6）编写技术文件。

三、要求实现的功能

启动机械手，将物体从A处移动到B处，机械手将完成原位、下降、抓取、上升、右移、下降、放松、上升、左移、循环或者回到原位动作过程。

在执行动作时由限位开关对机械手位置进行控制，并且由双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

提出改进方案：

在机械手夹紧过程进行探究，增加压力传感器用于机械手爪压力并进行反馈控制；增加超声波传感器检测物体是否滑落。

当物体出现滑落或操作错误时发出报警等。

四、实验设备

1、安装了STEP7-Micro/WIN32编程软件的计算机一台

2、天科TKPLC-A实验装置

3、机械手模块

五、设计任务

（1）根据控制要求分析控制及动作过程，设计硬件系统；

（2）绘制电气原理图及PLCI/O接线图；

（3）设计软件系统；

（4）组成控制系统；

（5）进行系统调试，实现（三）所要求的控制功能，完成模拟实验。

（6）撰写课程设计说明书。

六、参考资料

1、天科TKPLC-A实验装置实验手册

2、《S7-200可编程序控制器手册》，西门子技术服务中心，四川省机械研究设计院，2000.9

3、《现代电器控制及PLC应用技术》第2版，王永华，北京航空航天大学出版社

指导教师：

XX签名日期：

2015年06月1日

摘要

可编程控制器是一种以微处理器为核心的工业控制装置。

它采用了可编程序的存储器，可以再其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时器、计数器和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的设备或生产过程。

可编程控制器结构简单、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长，应用范围广。

本课题设计了机械手控制系统。

主要应用于机床加工工件的装卸，装配印制板电路板，组装零部件；劳动条件较差，危险等场合。

采用西门子公司S7-200系列，CPU224型PLC进行实验，运用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程，并通过TKPLC-A型可编程控制器实验箱机械手装置模拟控制实验区完成本模拟实验。

主要功能是循环地将物件从A地运往B地。

为了使动作操作更加准确，加入压力传感器、超声波传感器，进行检测改进。

该装置涵盖了可编程控制技术、位置控制技术、检测技术等。

由PLC接收来自外部的输入信号（包括开关机、限位指令、传感器信号指令等），并控制双线圈二位电磁阀来控制机械手的夹紧和松开。

在设计过程中，包括流程图、原理图、主电路图。

关键词：

PLC、机械手、传感器、检测技术

引言

为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。

在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。

但是由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质，以至现场工作环境十分恶劣，不适合人工现场操作。

另外，生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。

所以为了帮助相关行业，特别是中小型企业实现物件搬运的自动控制，机械手的自动控制势必是摆在我们眼前的一大课题，借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而机械手的控制更常见于工业生产中，几乎大部分的工厂都离不开机械手，其应用领域广。

计算机的出现给大规模工业自动化带来了曙光。

1968年，美国最大的汽车制造厂商通用汽车（GM）公司提出了公开招标方案，设想将功能完备、灵活、通用的计算机技术与继电器便于使用的特点相结合，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向过程、面向问题“自然语言”编程，生产一种新型的工业通用继电器，使人们不必花费大量的精力进行计算机编程，也能像继电器那样方便的使用。

这个方案首先得到了美国数字设备（DEC）公司的积极响应，并中标。

该公司于1969年研制出了第一台符合招标要求的工业控制器，命名为可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），简称PLC（有的称为PC）,并在GM公司的汽车自动装配线上实验获得了成功。

PLC一经出现，由于它的自动化程度高、可靠性好、设计周期短、使用和维护简便等独特优点，备受国内外技术人员和工商业界厂商的极大关注，生产PLC的厂商云起。

随着大规模集成电路和微处理器在PLC中的应用，使PLC的功能不断得到增强，产品得到飞速发展。

采用基于PLC的控制系统来取代园林单片机、继电器等构成的控制系统，采用模块化结构，具有良好的可移植性和可维护性，对提高企业生产和管理自动水平有很大的帮助，同时又提高了生产线的效率、使用寿命和质量，减少了企业产品质量的波动，因此具有广阔是市场前景。

用PLC进行开关量控制的实例很多，在冶金、机械、纺织、轻工、化工、铁路等行业几乎都需要它，例如灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、机械手系统、生产流水线等方面的逻辑控制，都广泛应用PLC来取代传统的继电器控制。

本次设计是将PLC用于机械手的设计的控制，对学习与实用是很好的结合。

第1章机械手控制系统方案设计

1.1方案设计原则

整个设计过程是按工艺流程设计，为设备安装、运行和保护检修服务，设计的编号按照国家关于电气自动化工程设计中的电气设备常用基本图形符号（GB4728）及其他相关标准和规范编写。

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求；

（2）保证PLC控制系统安全可靠；（3）力求简单、经济、使用及维修方便；（4）适应发展的需要

对于本课题来说，机械手抓动作过程和抓取物件的控制与升级，控制装置需要根据企业设备和工艺现况来构成并需尽可能的利用旧系统中的元器件。

对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于操作人员迅速掌握。

要实现整个机械手控制系统的设计，需要从怎样实现多个电磁阀的开关以及电动机启动的控制这个角度去考虑，现在就这个问题的如何实现以及选择怎样的方法来确定系统方案。

1.2系统的整体设计要求

在该机械手控制系统中，需要完成抓取、移动、放松、回到原位等功能，控制要求如下：

机械手动作流程图

1、下降抓取物体过程：

按下启动开关，机械手下降，当下降到位时，闭合下限位开关SQ1，机械手停止下降，机械手抓紧物体，并持续夹紧动作。

2、上升移动过程：

机械手夹紧物体，上升到位时，闭合上限位开关SQ2，机械手停止上升，并保持夹紧动作。

3、右移过程：

持续夹紧物体，向右移动，当右移到位时，闭合右限位开关SQ3，机械手停止右移。

4、下降放松过程：

机械手持续夹紧物体，下降到位时闭合下限位开关，机械手停止下降。

此时，放松放下物体。

5、回到原位过程：

放下物体后，机械手回升，当回升到位时，闭合上限位开关，机械手停止回升，并向左移动，当左移到位时，闭合左限位开关，机械手停止左移。

6、循环过程：

在不出意外，正常运行的情况下，循环以上过程。

1.3控制系统的设计

就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：

继电器控制系统、单片机控制、工业控制计算机控制、可编程控制器控制。

本系统的设计我们采用可编程控制器控制。

1.3.1继电器控制系统

控制功能是用硬件继电器实现的。

继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。

系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高，灵活性差，响应速度慢。

1.3.2单片机控制

单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。

其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。

但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。

要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。

1.3.3工业控制计算机控制

工控机采用总线结构，各厂家产品兼容性强，有实时操作系统的支持，在要求快速、实用性强、功能复杂的领域中占优势。

但工控机价格较高，将它用于开关量控制有些大材小用。

且其外部I/O接线一般都用于多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如接线端子可靠。

1.3.4可编程序控制器控制

可编程控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。

程控制器（PLC）从上个世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。

随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。

现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种性能，是名符其实的多功能控制器。

由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。

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。

2、运动控制

PLC可用于圆周运动或直线运动的控制，世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能。

3、闭环过程控制

过程控制是指对温度、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。

4、数据处理

现代PLC具有数学运算、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。

5、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。

根据本控制系统的控制要求应该选择可编程序控制器控制。

综上所述，由于PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高，是目前工业自动化的首选控制装置。

故选择PLC来实施本次设计。

第2章机械手控制系统的硬件设计

2.1硬件选型

2.1.1PLC机型选择

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。

具体应考虑的因素如下所述：

1．结构合理

对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC，物料混合控制系统的设计选用整体式结构的PLC能够达到要求。

2．功能强、弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。

3．机型统一

PLC的结构分为整体式和模块式两种。

整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。

但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。

一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。

一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。

由于同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理；另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训；其外部设备通用也有利于资源共享。

若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制相互通信，集中协调管理。

物料混合控制系统控制要求比较简单选择整体式结构的PLC。

4．是否在线编程

PLC的特点之一是使用灵活。

当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。

PLC的编程分为离线编程和在线编程两种。

离线编程的PLC，其主机和编程器共用物料混合控制系统采用离线编程。

5．PLC的环境适应性

由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。

尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。

一般PLC及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：

温度：

工作温度0～55℃，最高为60℃

储存温度：

-40℃～＋85℃

湿度：

相对湿度5%～95%（无凝结霜）

振动和冲击：

满足国际电工委员会标准

电源：

交流220V，允许变化范围为-15%～＋15%，频率为47～53Hz

瞬间停电保持l0ms

环境：

周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。

2.1.2PLC容量选择

PLC容量包括两个方面：

一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。

PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。

根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。

对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。

通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。

计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。

各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。

I/O点数也应留有适当裕量。

由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。

根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。

2.1.3I/O模块的选择

PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。

它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控制对象进行控制的依据。

同时控制器又通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。

外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而PLC的CPU所处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口模块还需实现这种转换。

PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。

为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。

根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。

1．确定I/O点数

I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。

对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。

2．开关量I/O

标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。

典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为5～24V（DC）。

3．选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑：

一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。

一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。

如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。

二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。

一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。

4．选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑：

一是输出方式选择。

输出模块有三种输出方式：

继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。

二是输出电流的选择。

模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。

对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。

三是允许同时接通的输出点数。

在选用输出点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。

2.1.4电源模块的选择

电源模块的选择一般只需考虑输出电流。

电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。

以下步骤为选择电源的一般规则：

1．确定电源的输入电压；

2．将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值；

3．I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：

1）框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；

2）当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。

4．如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理；

1）列出将来要扩展的I/O模块所需的背板电流；

2）将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤。

5．在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。

6．根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合

适的电源模块。

具体应考随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日益

完善。

PLC的种类繁多，其结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各

有不同，当然使用场合也有所不同。

因此选择合理的PLC对提高PLC控制系统技

术经济指标意义重大。

因此在选择机型时不仅要满足其功能要求及维护等方面的虑：

1）合理的结构形式

2）安装方式的选择

3）相当的功能要求

4）系统可靠性的要求

综上所述，根据控制系统要求选择S7-200系列PLC，S7-200系列PLC属于小型整体式结构的PLC，本机自带RS485通信接口，内置电源和I/O接口，它的结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时性和通信能力强大，便于操作，易于掌握，性价比高，是中小规模控制系统的理想控制设备。

2.2机械手的基本构造及PLCI/O点分配

2.2.1系统组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成，各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

图2-1机械手控制系统关系框图

2.2.2执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

机械手各部分组成列表2-1。

实物图如图2-2，各部分简化结构如图2-3所示。

执行机构

手部

驱动系统

动力源

手腕

控制调节装置

手臂

辅助装置

立柱

控制系统

程序控制系统

行走机构

定位控制系统

机座

位置检测装置

表2-1机械手各部分组成列表

图2-2实物图图2-3各部分结构图

（1）机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

（2）立柱

立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称可移式立柱。

（3）手臂

手臂是支撑被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。

工业机械手的手臂通常由驱动手取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。

工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

（4）手腕

手腕式连接手部和手臂的部件，并可用调整被抓去物件的方位。

手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。

此外，导向装置还能承担手臂所手的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转勇董事在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。

（5）手部

手部即与不加接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为加持是和吸附式手部。

夹持式手部由手指和传动机构所组成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较为广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓去物件的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。

（6）行走机构

当工业机械手需要完成胶原距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚动、轨道灯行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。

驱动滚动运行则应另外增设机械传动装置。

2.2.3、机械手PLC的模拟实验面板

图中的启动、停止用动断按钮来实现，限位开关用钮子开关来模拟，电磁阀的原位指示灯用发光二极管来模拟。

2.2.4机械手PLC的I/O分配

1、PLC的I/O口接线图：

（如下图）

2、经过系统控制功能分析，本设计需要输入点6个，输出点7个。

共计13个，具体如下表：

表2-2

输入

接线

SD

SQ1

SQ2

SQ3

SQ4

输出

接线

YV1

YV2

YV3

YV4

YV5

HL

LED

I0.0

I0.1

I0.2

I0.3

I0.4

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

2.3主电路的设计

2.3.1机械结构和控制要求

模拟实验面板图中为一个将工件由A处传送到B处的机械手，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。

当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈再断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。

另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。

设备装有上、下限位和左、右限位开关，它的工作过程如图所示，有八个动作，即为：

原位→下降→夹紧→上升→右移

↑↓

左移←上升←放松←下降

2.3.2主电路