PLC气动机械手.docx
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PLC气动机械手
摘要
为工业机械手研制一个技术性能优良的控制系统，对于提高工业机械手的整体技术性能来说具有十分重要的意义。
本论文正是针对这一课题，选择了可编程控制器（PLC）作为工业机械手的控制系统，这对提升工业机械手的整体技术性能起到了良好的作用。
本论文的控制对象是由三个搬运机械手组成的机械手群，每个机械手完成八个基本动作，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。
可编程控制器（PLC）控制每个机械手的动作，实现机械手群的自动运行。
本论文可编程控制器（PLC）选用西门子（SIEMENS）公司S7–200系列的CPU224，并扩展了EM221数字量输入模块和EM222继电器输出模块。
机械手的开关量信号直接输入PLC，PLC通过中间继电器对电磁阀加以控制。
在软件上，设计了主程序和子程序。
主程序控制机械手群动作，子程序控制每个机械手动作。
本论文的重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。
在整体设计过程中按照“提出问题，分析问题，解决问题”的主导思想，对整个系统的设计工作做出了细致的阐述。
关键词：
可编程控制器（PLC）；气动机械手；梯形图；CPU224；
Abstract
Developsatechnicalperformancefinecontrolsystemfortheindustrymanipulator,regardingenhancestheindustrymanipulator'soveralltechnicalperformancetohavetheextremelyvitalsignificance.Thepresentpaperispreciselyinviewofthistopic,choseprogrammablelogicalcontroller（PLC）totaketheindustrymanipulator'scontrolsystem,thistopromotedtheindustrymanipulator'soveralltechnicalperformancetoplaythegoodrole.
Thepresentpapercontrolledmemberisbythreethemanipulatorgroupwhichtransportsthemanipulatortobecomposed,eachmanipulatorcompleteseightelementaryactions,threemanipulatorscoordinatethemovementmutually.Themanipulatoractuatesbytheaircylinder,aircylindersolenoidvalvecontrol.Thelimitswitchexaminesthemanipulatorwhetherarrivesthestationaryposition.
Theprogrammablelogicalcontroller（PLC）controlseachmanipulator'smovement,realizesthemanipulatorgroupautomaticmovement.Presentpaperprogrammablelogicalcontroller（PLC）selectsSIEMENSCorporationS7–200seriesCPU224,andexpandedtheEM221numeralquantityloadmoduleandtheEM222relayoutputmodule.Manipulator'sswitchquantitysignaldirectinputPLC,PLCcontrolsthroughtheintermediaterelaytothesolenoidvalve.Onthesoftware,hasdesignedthemasterroutineandthesubroutine.Themasterroutinecontrolsthemanipulatorgroupmovement,thesubroutinecontrolseachmanipulatortoact.
ThepresentpaperkeypointplacesthePLCvarioushardwarepartthedesignandtheintroduction,inthePLCtrapezoidalchartcompilation.Deferstointheoveralldesignprocess“asksthequestion,theanalysisquestion,solvestheproblem”theguidingideology,hasmadethecarefulelaborationtotheoverallsystemdesignwork
Keywords：
ProgrammableLogicalController（PLC）；AirOoperatedMmanipulator；TrapezoidalCchart；CPU224；
目录
第1章绪论1
1.1机械手的概念1
1.2气动机械手的简介1
1.2.1气动技术1
1.2.2气动机械手2
1.2.3气动机械手的发展趋势3
第2章方案论证4
2.1机械手的设计4
2.1.1气动搬运机械手的结构4
2.1.2气动搬运机械手的工作原理4
2.2气动搬运机械手群5
2.2.1气动搬运机械手群结构5
2.2.2气动搬运机械手群工作原理6
2.3本论文的主要内容及达到的目标6
2.4本系统的控制方案6
第3章系统硬件电路的设计8
3.1PLC的简介8
3.1.1可编程控制器的概念8
3.1.2PLC的应用领域8
3.1.3PLC的系统组成9
3.1.4PLC的工作原理11
3.2输入/输出信号13
3.3PLC的选型15
3.4I/O地址分配17
3.5PLC外部接线19
3.6电气控制原理23
第4章软件设计24
4.1机械手1控制程序24
4.2机械手2控制程序27
4.3机械手3控制程序30
4.4机械手群主程序33
第5章结论37
参考文献38
致谢39
附录Ⅰ40
附录Ⅱ55
附录Ⅲ60
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。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业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着广阔的发展前景。
机械手的概念
我国国家标准（GB/T12643–90）对机械手的定义：
“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。
”
机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。
专用机械手：
它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定（有时可调）程序，使用大批量的自动生产。
如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。
通用机械手：
它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。
它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。
它的工作范围大，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工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手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、单调的重复劳动，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。
随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。
气动机械手的简介
气动技术
气动技术—这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。
目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。
气动技术（Pneumatics）是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。
“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma”，其原义为“呼吸”，后来才一演变成“气动技术”。
气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗幅射等优点广泛应用于汽车制造、电子、工业机械、食品等工业产业中。
随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术己经突破传统的设计、制造理念，正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。
随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。
在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。
气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。
气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。
气动机械手
工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。
驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。
由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。
这类机械手的特点是控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。
但是由于这类机械手价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。
因此，人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。
随着气动技术获得了快速发展，其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备，在满足社会生产实践需要的同时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。
现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。
采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
人们根据应用情况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动机械手今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。
因此，气动机械手可以代替一些功能不理想的工业机械手的地位，在目前的工业自动线上有着及其广泛的应用前景。
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
机械手的种类很多，但按手臂坐标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。
本论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。
机械手基座
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，用于将原工作台上的物品搬到其左侧工作台上。
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、左旋转/右旋转、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。
原位
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，转动工作行程为0~180°。
手部是通过气缸、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。
红外检测
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，用于检测工作台上是否有物品。
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。
本论文的主要内容及达到的目标
本论文主要内容是以气动搬运机械手作为控制对象，用PLC作为控制器，最终实现对气动搬运机械手群自动运行的控制。
本论文要达到的目标是，当系统工作开始时，机械手1首先工作，完成8个基本操作后（即一个循环），机械手2便启动工作，同样完成一个循环后，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。
每个机械手的完成8个基本操作，第1步当工作台上有物品时，机械手下降。
第2步是机械手在最低位抓紧物品。
第3步是机械手夹紧物品上升。
第4步是机械手夹紧物品右旋180度。
第5步是机械手夹紧物品下降。
第6步是在最低位时松开物品。
第7步机械手上升。
第8步是机械手左旋180度，回到原位。
本系统的控制方案
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。
本系统的输入开关量为数字信号，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。
继电器
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
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。
国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，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的指令。
并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，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的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但最近十年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解决复杂的计算和通信问题。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。
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
PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。
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。
PLC专为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，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。
PLC工作的全过程可用图2.2所示的运行框图来表示。
概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。
扫描周期是控制过程中一个比较重要的技术指标。
一般来说，扫描周期越大，表明扫描所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就越大，控制周期就越长，控制速度就要降低。
PLC的过程可分为三部分。
第一部分为上电处理，第二部分是扫描过程，第三部分是出错处理。
CPU运行方式
图3.2PLC运行框图
输入/输出信号
本控制系统有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；
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