机械手控制系统设计 1.docx
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机械手控制系统设计1
机械手控制系统设计
摘要
在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。
自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。
本次设计根据课题的控制要求,确定了搬运机械手的控制方案,设计控制系统的电气原理图，对控制系统进行硬件和软件选型,完成PLC（可编程控制器）用户程序的设计。
设计中使用了德国西门子公司生产的S7-200系列的CPU226。
该系列PLC具有功能强大，编程方便，故障率低，性价比高等多种优点。
机械手的开关量信号直接输入PLC，使用CPU226来完成全部的控制功能，包括：
手动/自动控制切换，循环次数设定，状态指示，手动完全操控等功能。
机械手完成下降、伸出、加紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。
通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。
通过本次毕业设计，对PLC控制系统的设计建立基本的思想：
能提出自己的应用心得；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练分析问题和解决问题的能力，进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。
关键词：
机械手；PLC（可编程控制器）；CPU；梯形图
TheDesignofManipulatorControlSystem
ABSTRACT
Inindustrialmanufacturingandotherfields,duetothedemandofwork,manyworkersarecompelledtoexposeinharmfulcircumstancelikehightemperature,corrosion,toxicgasesharmandsoon,thatincreasedlaborintensity,evenimperialtheirlives.However,sincethemanipulatorcameout,manyknottyproblemsaresmoothlysolved.
Thedesignrequirementsunderthecontrolofthesubjecttodeterminethehandlingrobotcontrolprogram,designedcontrolsystemelectricalschematicdiagram,thecontrolsystemhardwareandsoftwareselection,completethedesignoftheuserprograminthePLC（programmablecontroller）.DesignusedintheGermancompanySiemensS7-200seriesCPU226.TheseriesPLCwithpowerful,easyprogrammingandlowfailurerate,andcostadvantages.RobotswitchsignalinputtothePLC,theCPU226tocompleteallthecontrolfunctions,including:
manual/automaticcontrolswitch,setthenumberofcycles,statusindicator,manualcompletecontrolandotherfunctions.theproductionlineonthesafemoveout,sothatthemanufacturingprocessbecomesmoreefficient.
Thegraduationproject,thedesignofPLCcontrolsystemtoestablishthebasicidea:
tomaketheirownapplicationexperience;canstrengthenanddeepenthemostoftheformercontinuedthebasictheoryandprofessionalknowledge,furthertrainingandtrainingtoanalyzeandsolveproblemstheabilitytofurtherimprovetheirdesign,drafting,inspectionmanuals,applicationsoftware,aswellastheactualabilitytooperate,andultimatelyrelatedjobsandjobbaseinkeyskillsandbasicskillstraining.
KeyWords:
Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram
第1章绪论1
机械手的背景与现实意义1
国内外机械手研究概况1
机械手控制存在的问题及最新发展3
利用单片机实现对机械手的控制3
利用传统继电器实现对机械手的控制3
PLC实现对机械手的控制3
本文主要工作5
第2章机械手控制系统工艺流程与总体方案设计6
机械手控制系统的流程设计6
机械手的工艺过程6
机械手总体控制方案的设计思路7
第3章机械手硬件系统设计9
电气原理设计9
机械手电源电路设计9
机械手控制电路9
工作状态指示灯电路11
LED段码指示电路11
PLC的选型及参数12
电器元器件的选型13
接触器13
行程开关14
熔断器14
低压断路器14
控制按钮14
直流减速电机14
第4章机械手软件系统设计15
设计任务和控制要求15
高级指令说明15
定时器指令15
顺控继电器（SCR）指令17
传送指令17
计数器指令18
标准转换指令20
段码指令20
PLC的I/O接口功能设计与分配20
PCL的I/O接口功能设计20
I/O接线图23
设计系统工作流程24
第5章机械手控制系统调试25
西门子S7-200系列PLC编程软件25
程序说明26
故障及其解决方案31
第6章总结33
参考文献34
谢辞35
附录程序清单36
1绪论
机械手的背景与现实意义
机械手是工业自动化领域中经常遇到的一种控制对象。
近年来随着工业自动化的发展，机械手逐渐成为一门新兴学科，并得到了较快的发展。
机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都十分重视它的应用和发展。
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。
目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化[1]。
由于自动化可以节省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊优越性，如通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易学，因此工业领域中广泛应用PLC，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产线上应用智能机器人等。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
国内外机械手研究概况
机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。
目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。
这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。
第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。
这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。
现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。
它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能[2]。
目前机械手技术有了新的发展：
出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统（如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等）、机械手化机器、智能机械手（不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作，如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等）。
机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。
国外方面：
近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。
机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
国内方面：
目前在一些机种方面，如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手（水下、爬壁、管道、遥控等机械手）基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。
从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。
例如珠江三角洲地区，塑胶工业十分发达，在国内居龙头地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。
目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得客”w255系列注射机专用机械手,等等。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，主要包括以下几方面：
*机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
*在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板。
*可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
*可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
机械手控制存在的问题及最新发展
1.3.1利用单片机实现对机械手的控制
由单片机设计的系统都有一个共性就是抗干扰性差,因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。
所以不宜选用此方案。
1.3.2利用传统继电器实现对机械手的控制
此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手的功能。
但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。
所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，显然此控制系统不能选用此方案。
1.3.3PLC实现对机械手的控制
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC[3]。
PLC的主要特点：
1）高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2）丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接[4]。
3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4）编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5）安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行[5]。
此控制系统利用PLC就可以非常容易的实现。
基于PLC的优点，机械手采用PLC控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。
同时，用PLC控制系统可方便地更改生产流程，增强控制功能。
综上所述，机械手的控制方式选择PLC。
系统输入信号有1个启动按钮，1个停止按钮，1个急停按钮，1个手动送数开关，6个限位开关，8个手动输入信号，共计18个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号﹑左旋/右旋驱动信号、机械手伸出/缩回驱动信号、机械手夹紧/放松信号和七段LED显示器信号共有15个数字量输出信号。
不需模拟量模块，选择西门子S7系列的CPU226就可以满足要求，而且还有一定的裕量。
所以选用PLC实现对机械手的控制为最佳方案，本次设计就选用此方案进行设计。
本文主要工作
本文主要工作是应用PLC（可编程控制器）实际设计一个搬运机械手，能实现搬运机械手的基本功能。
工作内容：
（1）阐述机械手在工业应用中的作用和意义。
（2）设计机械手的工艺流程。
（3）机械手的硬件设计,包括PLC型号的选定，PLC的电气连线图,I/O分配表等。
（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。
（5）最后是系统调试和参考文献的列举。
2机械手控制系统工艺流程与总体方案设计
电气控制系统是根据指令准确实现生产流程的重要核心，能够保证搬运机械手准确快速的完成工作。
本次课题的目的就是根据工艺流程来硬件设计和软件编程，以满足搬运生产的需要，对搬运机械手尤为重要。
机械手控制系统的流程设计
搬运机械手作为一种自动化设施，电气系统应完成预设的动作，实现货物的准确搬运。
本课题中的搬运机械手控制系统应具有如下功能：
控制系统能够根据PLC输入的指令，准确灵活的控制搬运机械手，完成搬运任务；控制系统具有状态显示功能，当设备运行时，各部件的运行状态用绿色指示灯表示；当设备完成指定动作处于停止状态时，各部件的运行状态用红色指示灯表示，按下停止按钮和启动按钮后完成指示灯状态进行切换；控制系统能够保证搬运机械手针对不同生产任务的要求，能够准确完成货物的搬运，保证快速性和准确性兼顾；
按下急停按钮，能够立即停止工作，保证了生产的安全性。
搬运机械手通过程序的改变，能自由的改变控制方法，实现柔性的生产控制。
机械手的工艺过程
机械手的工艺过程
机械手的结构和各部分动作示意图，如图所示。
机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。
分析工艺过程
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降—伸出—加紧工件—上升—右旋—再下降—放松工件—缩回—放松—左旋十个动作，完成一个工作周期。
运动过程如图所示。
机械手的下降、上升、右旋、左旋、伸出、缩回等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。
图2-1机械手的结构和各部分动作示意图
图2-2机械手简单工作过程示意图
机械手总体控制方案的设计思路
本设计主要是在现有硬件设备条件下，通过软件编程，对于机械手进行有序的控制，提高搬运工作的准确性、安全性。
主要由S7-200PLC来进行控制，通过直流减速电机，电磁铁等来控制搬运机械手的运动。
由于PLC的抗干扰能力强，所以能在恶劣的工作环境中，可靠地完成控制任务，为了使设备便于安装、调试，以及从经济角度考虑，设计出如图所示的机械手控制系统的功能框图。
图2-3机械手控制系统的功能框图
机械手完成以上工艺主要是通过机械控制来实现的，即利用PLC控制电动机的转动。
电机的运行和电磁铁的通断，电动机的转动来驱动机械手臂的顺时针旋转和逆时针旋转，电机控制机械手的上升、下降、伸出和缩回，电磁铁驱机械手爪的夹紧和放松。
由于此次设计中，机械手的控制可以分为一个步骤来实现，因此，利用步进顺控法来进行编程较为容易实现。
最后在S7-200PLC编程专用软件编程软件上进行输入编程，调试。
3机械手硬件系统设计
在确定设计方案之后，本章节将对机械手电气控制系统中的电气原理图设计。
根据需要实现的功能以及整个系统的性价比对PLC和电气元器件进行介绍以及选型。
电气原理设计
根据工艺要求，本节将从机械手的电源电路、控制电路、工作状态指示灯电路、LED段码指示电路等方面进行设计。
3.1.1机械手电源电路设计
主要是通过交流220V接开关电源变成直流24V，当低压断路器QR1闭合，电气控制系统得电，熔断器的作用起电路保护作用，防止过大电流冲击。
3.1.2机械手控制电路
机械手控制电路如图所示。
当为“1”即继电器KM1得电时直流减速电动机正转。
当为“1”即继电器KM2得电时直流减速电动机反转。
所有电动机的电路均如图所示不再一一列举。
主电路如下图所示
图3-1机械手控制电路图
为保证安全，防止PLC误动作导致电源相间短路在辅助电路中设计了互锁保护，辅助电路图如下所示：
图3-2互锁保护辅助电路图
3.1.3工作状态指示灯电路
根据设计要求，指示灯采用使用接触器辅助触点来完成相应的状态指示功能，红灯代表对应功能停止绿灯代表运行。
GL代表绿灯RL代表红灯。
数字编号对应接触器编号相对应的功能。
所有指示灯电路均如此，故图中不再一一列举。
图3-3工作状态指示灯电路图
3.1.4LED段码指示电路
因工艺需要，特设计LED七段显示器显示设定的机械手工作循环次数。
下面列出接线图如图所示。
图3-4LED段码指示电路图
PLC的选型及参数
PLC是一种以微处理器为核心的新型工业自动控制系统。
它的最大特点就是体积小，功能强，响应速度快，可靠性高。
控制过程通过以梯形图的方式编程，随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性强等特点。
S7-200CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的MicroPLC。
下载了程序之后，S7--200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备[6]。
其硬件结构简图如下：
图3-5PLC硬件结构简图
根据系统控制要求的经济性和可靠性来考虑，选择西门子S7-200系列PLC。
西门子S7-200PLC中又有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU224XP等。
从搬运机械手的控制要求中可以看到，此次需要18个数字量输入，15个数字量输出，共需26点I/O，根据I/O点数，PLC选用西门子S7-200系列的CPU226AC/DC/RLY，交流220V供电，直流数字量输入，继电器电路输出类型。
该PLC具有24个数字量输入点，16个数字量输出点，扩展模块数量可达7个。
CPU内置了2个高速脉冲发生器，2个脉冲发生器分别以CPU本体的和作为输出通道。
表3-1PLCCPU22X技术参数
特性
CPU221
CPU222
CPU224
CPU224XP
CPU224XPal
CPU226
外形尺寸
90*80*62
90*80*62
*80*62
140*80*62
190*80*62
程序存储器：
运行模式下编辑
非运行模式编辑
4096字节
4096字节
4096字节
4096字节
8192字节
12288字节
12288字节
16384字节
16384字节
24576字节
数据存储器
2048字节
2048字节
8192字节
10240字节
10240字节
掉电保护时间
50小时
50小时
100小时
100小时
100小时
本机I/O
数字量、模拟量
6输入/4输出
-
8输入/6输出
-
14输入/10输出
-
14输入/10输出
2输入/1输出
24输入/16输出
-
扩展模块数量
0个模块
2个模块1
7个模块1
7个模块1
7个模块1
高速计数器
单相
两相
4路30KHz
2路20KHz
4路30KHz
2路20KHz
6路30KHz
4路20KHz
4路30KHz
2路200KHz
3路20KHz
1路100KHz
6路30KHz
4路20KHz
脉冲输出（DC）
2路20KHz
2路20KHz
2路20KHz
2路100KHz
2路20KHz
模拟电位器
1
1
2
2
2
实时时钟
卡
卡
内置
内置
内置
通讯口
1S-485
1S-485
1S-485
2RS-485
2RS-485
浮点数运算
是
I/O映像大小
256（128输入/128输出）
布尔型执行速度
毫秒/指令
根据本系统的I/O分配以及脉冲数出频率决定选用CPU226的S7-200PLC。
电器元器件的选型
根据此系统的控制要求和资源要求，对电器元器件进行选型。
3.3.1接触器
接触器是一种电控制元件，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。
本课题选用JZ11型接触器。
3.3.2行程开关
行程开关主要用于将机械位移转变成电信号，使电动机的运行状态得以改变，从而控制机械动作或用作程序控制。
本设计选用KW-7型行程开关。
3.3.3熔断器
熔断器也被称为保险丝，它是一种安装在电路中，保证电路安全运行
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