机械手分拣大小球的PLC程序设计.docx

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机械手分拣大小球的PLC程序设计

毕业设计（论文）

课题机械手分拣大小球的PLC程序设计

院系

机械工程学院

专业

机电一体化

班级

机电082

姓名

陈东080101208

完成日期

2011.4

指导教师

王叶萍

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，本课题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、左右以和抓取运动进行控制。

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。

关键词：

机械手、PLC、大小球

ABSTRACT

Thepositiveroleofthemanipulatorincreasinglyknownbypeople,first,itcanpartlyreplacehumanlaborandcanachievetheproductionrequirements,followacertainprocedure,timeandlocationtocompletetheworkpiecetransfer.Because,itcangreatlyimprovetheworkingconditions,andworkersacceleratetherealizationofindustrialproductionmechanizationandautomationpace.Therefore,byvariousadvancedunitspentagreatdealofattentionandmanpowertoresearchandapplication.Especiallyinhightemperatureandhighpressureanddust,noiseoccasions,applicationismorewidely.InChina,themodernyearsalsohavedevelopedquickly,andobtainedacertainresult,byvariousdepartmentsofindustryseriously.Intheprocessofproduction,oftentotheassemblylineofproducts,thistopicintendstodevelopsortingthroughthemanipulator,materialhandlingbyGermanSiemenss7-200PLC,thefluctuation,leftandrightsidesofmanipulatorandgrabmotioncontrol.Usedinthemechanicaldevicecan1.Weuseprogrammabletechnology,combinedwiththecorrespondinghardwaredevice,controlfinishallkindsofaction.Robot

Keywords:

manipulator,PLC,whichcan

第一章机械手与PLC的简介

1.1机械手的出现与发展.....................................1

1.2PLC的应用................................................2

第二章PLC控制系统的硬件设计

2.1按钮和行程开关的选择................................7

2.2接近开关转换开关刀开关的选择......................7

2.3时间继电器接触器的选择.............................8

2.4熔断器电动机的选择.................................9

2.5电磁阀的选择........................................9

第三章分拣系统的PLC选择

3.1PLC控制系统设计的原则和内容............................10

3.2PLC的选型................................................10

3.2.1性能与任务相适应..................................11

3.2.2PLC的处理速度应满足时实控制的要求..............12

3.2.3PLC应用系统结构合理、机型系列应统一............12

第四章大小球分拣系统的PLC设计

4.1系统的功能...........................................15

4.2分拣大小球系统的结构.................................16

4.3大小球分拣传送过程控制分析………………………...16

4.4分捡大小球系统的输入/输出地址和定时器分配............17

4.5机械手分拣球控制系统的接线图.........................18

4.6大小球分拣的设计思想.................................18

第五章机械手分拣大小球的PLC程序设计

5.1机械手分捡大小球控制程序流程图.......................20

5.2机械手分拣大小球控制程序的梯形图.....................22

第六章总结

参考文献

致谢

第一章机械手与PLC的简介

1.1机械手的出现与发展

1.1.1机械手的历史

　它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。

同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。

在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械手首先是从美国开始研制的。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。

该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。

这就是所谓的示教再现机器人。

现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。

作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。

这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

1.1.2机械手的组成

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。

同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。

控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

1.1.3机械手分类

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

　　机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

1.2PLC的应用

1.2.1PLC的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中应用而设计的它采用一类可编程的存储器，在其内部用于存储用户程序，并执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等用户指令，并通过数字或模拟式输入/输出，控制各类型的机械或生产过程。

可编程控制器和其有关外部设备，都按照方便与工业控制系统成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

1.2.2PLC的分类

随着PLC的不断发展，其型号和形式越来越多，为了在设计控制工程系统时便于表达和选择适当型号的PLC，应对其进行分类。

一般按照以下两种形式对PLC进行分类。

①按照I/O点的数量分为小型机，中型机和大型机。

小型机的输入输出点的总数一般在256个以下，用户程序的存储容量一般为4KB左右。

中型机的输入输出点的总数一般在256～2048之间，用户程序的存储容量一般为8KB左右。

大型机的输入输出点的总数一般在2048个以上，用户程序的存储容量一般为16KB以上。

②按照结构形式分为整体式结构和模块式结构。

整体式结构的PLC具有体积小，成本低和安装方便的特点，大多被小型机所采用，例如SIEMENS公司的S7-200系列的PLC。

模块式结构的PLC具有功能强大，配置灵活和维修方便的特点，大多被中型机和大型机所采用，例如SIEMENS公司的S7-300系列和S7-400的PLC。

1.2.3PLC的特点与应用和其发展趋势

为了满足现代工业生产日趋复杂，以和多样化的特点（例如，实现逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作），对控制的要求也各不相同，目前普遍需要通用性搞的控制系统。

PLC的出现受到了广大工程计数人员的欢迎。

PLC的主要特点包括以下几个方面

①抗干扰能力强，可靠性高

②控制系统简单，通用性强

③编程方便，使用简单

④功能完善

⑤设计，施工和调试的周期短

⑥体积小，维护操作方便。

PLC在其生产初期由于价格高等原因，使它的使用受到限制。

但近年来，PLC的应用逐渐广泛起来，主要原因有两个:

一是微处理器的芯片和相关元件的价格不断下降；二是PLC自身的功能大大增强。

PLC的应用面很广，在工厂自动化和计算机集成制造系统（CIMS）内占有重要地位。

目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁，采矿，石油，化工，电力等各个行业，使用情况大致可以归纳为六种类型：

①开关量的逻辑控制

②模拟量的控制

③运动控制

④过程控制

⑤数据控制

⑥通信和联网。

不同的工业环境对PLC的功能，体积和性能有不同的要求，对PLC的要求越来越高。

因此，PLC的生产厂商把PLC的发展方向趋向于高集成度，小体积，大容量，高速度，智能化，易使用和高性能等几个方面，表现为以下几个方面：

①小型化，专用化和低成本

②大容量和高速度

③智能型I/O模块

④编程软件

⑤编程语言的标准化

⑥通信控制的简单化

⑦PLC的软件化与组态软件

⑧与现场总线的结合。

1.2.4PLC的工作原理

当PLC启动运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段，用户程序执行阶段和输出刷新阶段。

完成上述三个阶段即称为一个扫描周期。

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。

PLC的运行框图如图1.1所示，它清楚的描述了PLC的扫描工作过程。

⑴输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，先扫描所有输入端子，并将各输入端子的状态存入各自对应的输入元件映像寄存器。

此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。

在程序执行阶段或输出刷新阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像寄存器中的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端的新状态写入寄存器中。

⑵用户程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC按照先左后右，先上后下的顺序执行程序。

当指令中涉和输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”对应的输入端子的状态，从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。

然后，进行相应的运算，运行结果再存入元件映像寄存器中。

对元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器）的状态会随编程序的执行过程而变化。

⑶输出刷新阶段

在所以指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。

对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样输出的工作方式虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

大中型PLC因I/O点数较多，控制功能强，用户程序长，为提高响应速度可以采用定周期输入采样，输出刷新。

也可以采用直接输入采样，直接输出刷新，中断输入/输出和智能化I/O接口等方式。

图1.1PLC扫描工作过程

1.2.5PLC对输入/输出的处理原则

根据PLC的工作特点，归纳出PLC对输入/输出的处理原则，如下所述：

⑴输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新期间的通断状态。

⑵程序如何执行取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容和各元件映像寄存器的内容。

⑶输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。

⑷输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。

⑸输出端子的通断状态，由输出锁存器决定。

第二章PLC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和指示灯的颜色。

2.1.2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接近开关的选择：

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和的目标，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和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。

2.2.2转换开关的选择：

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。

2.2.3刀开关的选择：

刀开关是一种手动电器，为了简单，方便，选择HD型单投刀开关，分为1级，2级，3级。

2.3时间继电器、接触器的选择

2.3.1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。

2.3.2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熔断器的选择：

熔断器在电路中主要起短路保护作用，用于保护线路，熔断器具有结构简单，体积小，重量轻，使用维护方便，价格低廉，分断能力较高，限流能力良好等优点，熔断器有NT、RT、RL、RLS2、FA4等型式的熔断器，RT系列为有填封闭管式熔断器，可在500V以下交流系统中作过载和短路保护用，这种熔断器为螺栓连接，可直接连在母线排上，尤其适合开关熔断器组选用，RT15型熔断器最大额定电流400A，额定分断能力100KA。

2.4.2电动机的选择：

电动机是选交流的，而电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。

由于异步电动机具有结构简单，制造，使用方便，运行可靠，成本低廉，效率较高等优点而得到广泛应用。

例如，在工业生产中，异步电动机用于拖动中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械和矿山机械等；在农业生产中，异步电动机用于拖动水泵，粉碎机以和其他农副产品的加工机械；在民用电器方面的电风扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。

2.5电磁阀的选择

电磁阀的分类：

国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即：

直动式、分步撞先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构）。

电磁阀的优点：

耐高温电磁阀是间接先导式平衡电磁阀，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、使用范围广等。

第三章分拣系统的PLC选择

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。

本课程设计着重在系统设计和程序设计。

3.1PLC控制系统设计的原则和内容

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和操作方式。

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容量和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。

3.2PLC的选型

根据不同的控制要求和PLC的结构和模式，控制系统可分为以下四种：

⑴单机控制系统：

是指用一台PLC控制一台设备，其I/O少，控制过程简单。

⑵集中控制系统：

是指用一台PLC控制多台设备，使用的I/O较多，控制过程相对要复杂一点。

⑶分散控制系统：

是指每一台PLC控制一台设备，PLC之间可以通过通信电缆进行数据交换，或者由上位机通过数据总线来进行数据交换。

⑷远程I/O控制系统：

是指I/O模块和PLC不是放在一起的，而是放在被控制的设备附近。

远程I/O通道通过同轴电缆与PLC进行信息传递，不同的PLC型号能驱动的同轴电缆长度是不同的，所以采用远程I/O控制时需要选择相匹配的PLC型号，否则无法满足远程控制的需求。

随着时间的推移，PLC的种类和数量越来越多，而且功能越来越强大，因此PLC的选择范围越来越大。

在选择PLC型号时，不仅要方便考虑控制系统目前的功能要求，还要考虑当生产工艺改进后的功能要求。

若生产过程比较固定，工业环境比较好，一般采用整体式结构的PLC；反之可选择模块式的PLC。

在选择PLC型号时，应保证维护方便，使用简单，性价比较高，具体应该考虑一下几个方面。

⑴根据控制系统的功能要求选择性能与功能相适应的PLC。

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（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的C200HE/C200HG/C200HX、CV/CVM1等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。

⑵在一些控制系统中，需要实时的响应输入信号，即使对输入信号进行处理并产生对应的输出信号，控制执行机构动作，当I/O点数较少时，输入到输出的滞后时间较小，基本可以满足工业控制的要求，但是当I/O点数达到几千个的时候，这个滞后时间就比较明显了，对于一些控制系统就没法满足其技术要求，这就需要采用处理速度较快的PLC，使一条指令的执行时间不超过0.5us，并对程序进行优化，减少扫描时间，必要时可采用高速响应模块。

⑶对于众多的控制系统来说，尽量统一PLC的型号，使其模块可通用，也便于备件的采购和储备。

便于对技术人员进行培训，在维修时也能带来极大地方便。

⑷在现在PLC时，还需要看来此类型的PLC是否配有相对完善特殊功能模块，以免需要某些特殊功能模块时，只能配置其他公司的模块，既增加了控制难度，又增加成本，而