物料搬运机械手毕业设计.docx

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物料搬运机械手毕业设计

摘要

机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。

因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。

尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。

在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。

在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本次毕业设计拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。

用于分捡大小球的机械装置。

我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。

PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。

本次毕业设计着重在系统设计和程序设计。

关键词：

机械手PLC大小球分拣系统

ABSTRACT

Thepositiveroleoftherobotisincreasinglybeingrecognized,first,itcanpartiallyreplacehumanlaborandtoachievetheproductionrequirements,followcertainprocedures,timeandlocationoftheworkpiecetocompletethetransfer.Becauseitcangreatlyimprovetheworkingconditionsofworkers,industrialproductiontoacceleratethepaceofmechanizationandautomation.Therefore,theattentionfromalltheadvancedunitsandputalotofmanpowerandresourcestoresearchandapplication.Especiallyinthehigh-temperature,highpressure,dustandnoiseoftheoccasion,appliedmorewidely.InChina,themodernyearshaverapiddevelopment,andachievedcertainresults,theimportanceattachedbythevariousindustrialsectors.Intheproductionprocess,oftentheproductofthesortingline,thisgraduationdesignisplannedtodevelopmaterialhandlingrobot,usingSiemensS7-200seriesPLC,themechanicalhandupanddown,leftandright,andgrabcontrolofmovement.Thesizeoftheballforthesortingmachinery.Weuseprogrammabletechnology,combinedwiththeappropriatehardwaredevices,controlthemechanicalhandtocompleteavarietyofactions.PLCapplicationsystemdesignincludinghardwaredesign,softwaredesign,constructiondesignandinstallationandsoon.Thiscourseemphasizesthesystemdesignandprogramming.

Keyword:

manipulatorPLCsizeofzheballsortingsystem

1PLC应用系统设计基础知识

1.1PLC控制系统设计的原则和内容

PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。

本次毕业设计着重在系统设计和程序设计。

PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应着重考虑产品的技术支持与售后服务等情况。

最大限度地满足被控对象或产生过程的控制要求。

对于一些原来用继电接触器线路不易实现的要求，使用PLC后，将很容易实现。

在满足控制要求前提下，力求使控制简单、经济、操作和维护方便。

对一些过去较为繁琐的控制可利用PLC的特点加以简化，通过内部程序化外部接线及操作方式。

保证控制系统的安全、可靠。

同时采取“软件兼施”的办法。

考虑到生产的发展和工艺的改进，选择PLC容量及I/O点数时，应适当留有裕量。

一个系统完成后，往往会发现一些原来没有考虑到的问题，或者新提出的问题，如果事先留有裕量。

则PLC系统极易修改。

同时对日后系统工艺的变更提供方便。

当然对于不同的用户，要求的侧重点不同，设计的原则也应有所区别，如果以提高产品和安全为目标，则应将系统可靠性放在设计的重点，设置考虑采取冗余控制系统；如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化；如果系统工艺经常变更，则事先充分考虑。

1.2PLC的选型

在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体考虑以下几点。

1.2.1性能与任务相适应

对于开关量控制系统的应用系统，当对控制要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMON公司系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。

对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM/CQM1H型PLC。

对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联信网4等，可选用中大型PLC。

当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分的具体要求来选择PLC，一组成一个分布式的控制系统。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。

1.2.2PLC的处理速度应满足时实控制的要求

PLC工作时，从输入信号控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在1～2个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般工业控制是允许的。

但有些设备的实时性要求教高，不允许有教大的滞后时间。

例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。

滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间。

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

1.2.3PLC应用系统结构合理、机型系列应统一

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放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。

模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式灵活。

维修更换模块、判断与处理故障快方便，适用于工艺过程变化教多、控制要求复杂的系统。

在使用时，应按实际具体情况进行选择。

PLC的工作原理：

扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一、输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

三、输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

结合以上几点，在设计PLC机械手在大小球分选系统中用的PLC的选型为西门子S7-200系列的可编程控制器。

2PLC控制系统硬件设计

2.1按钮和行程开关的选择

2.1.1按钮的介绍及选择

按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开“控制电路”（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。

按钮是一种人工控制的主令电器。

主要用来发布操作命令，接通或开断控制电路，控制机械与电气设备的运行。

按钮的工作原理很简单（见图2-1）。

对于常开触头（图a）,在按钮未被按下前,电路是断开的,按下按钮后,常开触头被连通,电路也被接通；对于常闭触头（图b），在按钮未被按下前，触头是闭合的，按下按钮后，触头被断开，电路也被分断。

由于控制电路工作的需要，一只按钮还可带有多对同时动作的触头（图c）。

按钮的用途很广，例如车床的起动与停机、正转与反转等；塔式吊车的起动，停止，上升，下降，前、后、左、右、慢速或快速运行等，都需要按钮控制。

图2-1按钮的工作原理图

按钮的选择原则：

1、根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式，防水式，紧急式等。

2、根据用途，选用合适的型式，如钥匙式，紧急试，带灯式等。

3、按控制回路的要求，确定不同的按钮数，如单钮，双钮，三钮，多钮等。

4、按工作状态指示和工作情况的要求选择按钮及指示灯的颜色。

2.1.2行程开关的介绍及选择

行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。

利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。

通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。

在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。

用于控制机械设备的行程及限位保护。

构造：

由操作头、触点系统和外壳组成。

在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。

因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。

行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。

在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。

行程开关可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。

当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。

由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。

行程开关的选择：

行程开关的分类：

直动式，滚动式和微动式三种。

直动式行程开关的优点是结构简单，成本低，但容易烧蚀触头。

滚动式行程开关克服了直动式行程开关的缺点，但其结构复杂，价格也较高，所以选择微动式行程开关体积小，动作灵敏，适用于小型机构中使用。

2.2接近开关、转换开关、刀开关的选择

2.2.1接近开关的介绍及选择

接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。

特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。

在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。

利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。

当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。

通常把这个距离叫“检出距离”。

不同的接近开关检出距离也不同。

有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样不断地重复。

不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。

这种响应特性被称为“响应频率”。

接近开关是一种对接近它的物体有“感知”能力的元件—位移传感器，利用传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。

在设计中，接近开关SBO用于检测是否有球，SB1—SB5分别用于传送机械手上下左右运动的定位。

接近开关分为霍尔接近开关，超声波接近开关，高频振荡式接近开关，霍尔接开关用于检测磁场，一般用磁场钢作为被检测体。

超声波接近开关适用检测不能或不可触及的目标，其控制功能不受声、电、关等因素干扰，检测物体可以是固体、液体、或粉末状态的物体，只要能反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成，高频振荡式接近开关用于检测各种金属，主要由高频振荡器，集成电路晶体管放大器和输出器三部分组成。

接近开关的选择：

对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

1、当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。

对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

2、当检测体为非金属材料时，如;木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。

3、金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。

4、对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。

2.2.2转换开关的介绍及选择

转换开关是一种多档位，多触点，能够控制多回路的主令电器，可以用于控制小容量电动机的启动、换向、调速、正反转控制等，常用的万能转换开关有LW2、LW5、LW6、LW8等系列，在设计机械手大小球分选系统中操作方式有手动，单周期，连续。

转换开关又称组合开关，与刀开关的操作不同，它是左右旋转的平面操作。

转换开关具有多触点、多位置、体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等优点，多用于机床电气控制线路中电源的引入开关，起着隔离电源作用，还可作为直接控制小容量异步电动机不频繁起动和停止的控制开关。

转换开关同样也有单极、双极和三极。

转换开关的选择：

转换开关可作为电路控制开关、测试设备开关、电动机控制开关和主令控制开关，及电焊机用转换开关等。

转换开关一般应用于交流50HZ，电压至380V及以下，直流电压220V及以下电路中转换电气控制线路和电气测量仪表。

例如常用LW5/YH2/2型转换开关常用于转换测量三相电压使用。

组合开关适用于交流50HZ，电压至380V及以下，直流电压220V及以下，作手动不频繁接通或分断电路，换接电源或负载，可承载电流一般较大。

2.2.3刀开关的介绍及选择

刀开关又称闸刀开关或隔离开关，它是手控电器中最简单而使用又较广泛的一种低压电器，如图2-2是最简单的刀开关（手柄操作式单级开关）示意图。

刀开关在电路中的作用是：

隔离电源，以确保电路和设备维修的安全；分断负载，如不频繁地接通和分断容量不大的低压电路或直接启动小容量电机。

刀开关是带有动触头——闸刀，并通过它与底座上的静触头——刀夹座相楔合（或分离），以接通（或分断）电路的一种开关。

其中以熔断体作为动触头的，称为熔断器式刀开关，简称刀熔开关。

转换开关用于主电路将一组已连接的器件转换到另一组已连接的器件。

采用刀开关结构形式的称为刀形转换开关；采用叠装式触头元件组合成旋转操作的，称为组合开关。

图2-2刀开关

刀开关的选择：

常用的刀开关有HD型单投刀开关、HS型双投刀开关（刀形转换开关）、HR型熔断器式刀开关、HZ型组

合开关、HK型闸刀开关、HY型倒顺开关和HH型铁壳开关等。

种带刀刃形触头的开关电器。

主要作电路中隔离电源用，或作为不频繁地接通和分断额定电流以下的负载用。

刀开关处于断开位置时，可明显观察到，能确保电路检修人员的安全。

刀开关通常由绝缘底板、动触刀、静触座、灭弧装置和操作机构组成。

只作为电源隔离用的刀开关则不需要灭弧装置。

用于电解、电镀等设备中的大电流刀开关的额定电流可高达数万安。

这类刀开关一般采用多回路导体并联的结构，并可用水冷却的方式散热来提高刀开关导体所能承载的电流密度。

刀开关在电路中要求能承受短路电流产生的电动力和热的作用。

因此,在刀开关的结构设计时,要确保在很大的短路电流作用下，触刀不会弹开、焊牢或烧毁。

对要求分断负载电流的刀开关，则装有快速刀刃或灭弧室等灭弧装置。

刀开关按照极数可以分为单极刀开关、双极刀开关和三极刀开关；按照转换方式可以分为单投式刀开关、双投式刀开关；按操作方式可分为手柄直接操作式和杠杆式刀开关。

2.3时间继电器、接触器的选择

2.3.1时间继电器的介绍及选择

时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。

它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型和其他型等。

早期在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。

它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。

凡是继电器感测元件得到动作信号后，其执行元件（触头）要延迟一段时间才动作的继电器称为时间继电器。

目前最常用的为大规模集成电路型成的时间继电器，它是利用阻容原理来实现延时动作。

在交流电路中往往采用变压器来降压，集成电路做为核心器件，其输出采用小型电磁继电器，使得产品的性能及可靠性比早期的空气阻尼型时间继电器要好的多，产品的定时精度及可控性也提高很多。

随着单片机的普及，目前各厂家相继采用单片机为时间继电器的核心器件，而且产品的可控性及定时精度完全可以由软件来调整，所以未来的时间继电器将会完全由单片机来取代。

图2-3时间继电器

时间继电器的选择：

时间继电器在控制电路中用于时间的控制，有JS23，JS27A，JSK□，7PR，SS—18等系列的时间继电器。

空气阻尼式时间继电器又称为气囊式时间继电器，它是根据空气压缩产生的阻力来进行延时的，其结构简单，价格便宜，延时范围大（0.4~180s），但延时精确度低。

电磁式时间继电器延时时间短（0.3~1.6s），但它结构比较简单，通常用在断电延时场合和直流电路中。

电动式时间继电器的原理与钟表类似，它是由内部电动机带动减速齿轮转动而获得延时的。

这种继电器延时精度高，延时范围宽（0.4~72h），但结构比较复杂，价格很贵。

晶体管式时间继电器又称为电子式时间继电器，它是利用延时电路来进行延时的。

这种继电器精度高，体积小。

2.3.2接触器的介绍及选择

接触器（Contactor）是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：

常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：

常闭触头闭合；常开触头断开。

在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。

接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。

是自动控制系统中的重要元件之一。

在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-1000A的不等，其用处相当广泛。

海关HS编码：

85364100（主电路电压<=60V的接触器），85364900（60V<主电路电压<=1000V的接触器），85353000（主电路电压>1000V的接触器）。

接触器的选择：

接触器的选型要求：

1、根据负载性质选择接触器类别，一般交流负载选择交流接触器，直流负载选择直流接触器。

2、根据被控电路电流大小和使用类别选择接触器的额定电流。

3、根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。

4、根据控制电路的电压等级选择接触器线圈的额定电压。

2.4熔断器、电动机的选择

2.4.1熔断器的介绍及选择

熔断器也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体（fuse-link）"。

它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。

熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。

熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。

熔断器广泛应用于高低压配电系