机械手控制装置说明书.docx

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机械手控制装置说明书

摘要.......................................................

Abstract.......................................................

第一章绪论.............……………………………………………...

1.1本课题的意义…………………………………………….3

1.2本文的主要工作……………………………………………3

1.3选择设计方案………………………………………3

第二章PLC的概述…………………………………………4

2.1PLC的基本知识…………………………………………..4

2.2PLC的应用与前景………………………………………..5

第三章PLC的编程语言…………………………………..7

3.1梯形图编程语言……………………………………………...7

3.2功能块图编程语言……………………………………………8

3.3西门子S7-200的编程语言…………………………..

第四章PLC控制机械手的设计……………………………….9

4.1各电器设备的制方式及控制要求…………………………..10

4.2电器元件设备的选择………………………………………12

4.3控制系统的软、硬件设计………………………………...13

第五章设计小结………………………………………………33

第六章谢辞…………………………………………………….....34

参考文献……………………………………………………....…..35

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，甚至于危机生命。

机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。

机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、气缸等机械器件组成；电气方面有步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、等电子器件组成。

该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、气动技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。

本文介绍的机械手是由PLC输出两路脉冲，分别驱动横轴、竖轴步进电机驱动器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；直流电机拖动手爪和底盘旋转，位置信号由旋转码盘和接近开关反馈给PLC主机；电磁阀控制气开阀的开关来控制机械手手爪的张合，从而实现机械手精确运动的功能。

本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

本文以日本三菱系列PLC为基础，介绍PLC在机械手步进控制中应用，并给出了详细的程序设计过程。

该程序已在工业机械手中获得了应用，具有稳定、可靠的性能，可供同类设计参考。

关键词：

可编程控制器PLC；机械手；脉冲；步进电机驱动器；步进电机；直流电机；传

感器、限位开关。

Intermsofindustrialproductionandotherfields,asaresultoftheneeds,ithasoftenbeentheheat,corrosiveandtoxicgashazardsandotherfactors,theincreaseinlaborintensity,andevenlifecrisis.Manipulatorinthebirthofsuchamanipulator,industrialrobotsystemstraditionalmandate,Robotisoneofthekeycomponents.Manipulatorusingthemechanicalstructureofscrew-ball,slider,andothermechanicaldevicescylindercomponents;Electricalconnectionissteppingmotor,Drivermodule,sensors,switchingpowersupply,solenoids,electronicdevicesandothercomponents.Thedevicecoversaprogrammablecontroltechnology,positioncontroltechnology,pneumatictechnology,detectiontechnology,Mechatronicsisatypicalrepresentativeofoneofthemachines.ThispaperdescribesthemanipulatorbythePLCtwopulseoutputweredrivinghorizontal,vertical-axissteppermotoractuators,controlmanipulatoraxishorizontalandverticalpositioningprecision,micro-switchpositionsignalwillpassPLCmainframes;DCMotorDriveandchassisgripperrotatingpositionsignalfromtherotaryencoderandnearlyPLCswitchbacktothemainmachine;solenoidvalvecontrolofthegasvalveopeningswitchestocontrolthemanipulatorgripperZhang,thusachievingaccuratemanipulatormovementfunctions.ThetopicstobedevelopedbytheManipulatorgraspingbeupinspaceobjects,movementsflexible,diverse,Inplaceofartificialheatanddangerousoperationconductedoperations,Accordingtotheworkpiececanchangethecampaignprocessandtherequirementsofanychangestotherelevantparameters.BasedonJapan'sMitsubishiPLC,basedonthemanipulatorPLCsteppercontrolapplications,andgivesadetailedprogramdesignprocess.Theprocedurehasbeeninthehandsofindustrialmachineryaccesstotheapplication,withstable,reliableperformanceforasimilardesign.Keywords:

PLCmanipulator;Pulse;Steppermotoractuator;SteppermotorMotor;sensorswill,limitswitch

第一章绪论

1.1本课题的意义

机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。

汽车业的快速发展，车外型愈求美观流线，并由于汽车外板件要求完美无尘的冲压生产线也向高速化、高品质、自动化、柔性化方向发展。

传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式已无法满足该行业的需要。

 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。

因此，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。

1.2本文主要做的工作

1.问题提出：

PLC控制的机械手最主要是应用于自动化生产中，如何综合地运用前面学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统，在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。

2.系统设计的主要内容

（1）拟定控制系统设计的技术条件。

技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；

（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；

（3）选定PLC的型号；

（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；

1.3选择设计方案

西门子的优点

SIMATICS7-200系列PLC是西门子公司生产的具有高性价比的小型可编程序控制器，由于它具有结构小巧、可靠性高、运行速度快等特点，在许多行业中得到了广泛的应用。

S7-200已有两代产品：

第一代CPU模块为CPU21X，配有4种类型主机，它们的CPU是CPU212、214、215、216；第二代CPU模块为CPU22X，也有4种类型主机，它们的CPU是CPU221、222、224、226,不同类型的CPU具有不同的技术特征。

S7-200PLC的最大优点在于其灵活性及多功能性。

灵活性是指其结构配置灵活，可根据控制任务配置大小、功能不同的扩展系统，使其使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的中小控制系统，应用领域广泛；多功能性一方面指它使用STEP7Micro/Win32，提供不同的编程语言和丰富的指令集，可以充分利用这些指令编写解决复杂任务的程序，另一方面它具有丰富的通信功能，使用户很容易地进行组网，其通信和实时性方面的优点，使它成为解决复杂自动化方案的理想控制设备。

西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

S7-200系列PLC共有5种基本型号的CPU模块，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，控制点数可以从10点扩展到248点。

其中，CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器，CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。

所有型号的CPU在内部都集成了1个（CPU221、CPU222、CPU224）或2个（CPU226，CPU226XM）通讯口，该通讯口为标准的RS485口，可在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通讯口方式。

另外，S7-200可通过增加EM277模块接入Profibus-DP网络，通过CP243-1通讯模块连入工业以太网，通过CP243-2模块使其成为AS-i主站。

第二章PLC的概述

2.1PLC基本知识

在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。

一、PLC的发展历程

　　在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

　　个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。

　PLC的定义有许多种。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：

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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。

1976年正式命名，并给予定义：

PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。

经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。

PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。

PLC作为一个站挂在高速总线上。

充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。

另外，火力发电厂辅助车间，例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。

PLC对于顺序控制有其独特的优势。

编者以为，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象

　　上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

　　PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

二、PLC的构成

　从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

三、CPU的构成

　　CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

　　CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

　　在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

　　CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

四、I/O模块

　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

　　开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

常用的I/O分类如下：

　　开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

　　模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

　　除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

　　按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

五、电源模块

　　PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

六、底板或机架

　　大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

七、PLC系统的其它设备

　　1、编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

　　2、人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

　　3、输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

八、PLC的通信联网

　　依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

　　PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

　　PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。

　　对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。

首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准

2.2PLC的应用与前景

目前，在国内外PLC已广泛应用冶金，石油，化工，剪彩，机械制造，电力，汽车，轻工，环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格的不断提高，器应用领域不断扩大，从应用类型看大致可归纳为以下几个方面：

2.2.1强量逻辑运算

利用PLC最基本的逻辑运算，定时，计收等功能实现逻辑运算，科取代传统的继电器控制用于单片机控制，多机群控制，生产自动线控制等。

例：

机床，注塑机印刷机械，装配生产线，电镀流水线及电梯的控制等。

这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。

2.运动控制

大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。

例如：

各种机床，装配机械。

机器人等进行运动控制。

3.过程控制

大，中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能。

有的小型PLC也具有模拟量输入输出，所以PLC可实现模拟量控制而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。

这一功能已广泛用于铝炉，反应堆，水处理，酿酒及闭环位置控制和速度控制等方面。

4.数据处理

现代的PLC都具有数学运算数据传递，转换，排序和查表等功能，可进行数据的采集，分析和处理，同时的通过通信接口将这些数据传送给其电智能装置。

例如：

CNC设备进行处理。

5.通信联网

PLC的通信包括PLC与PLC，PLC与计算机，PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元，通信转换单元相连构成网络，已实现信息的交换和构成。

集中管理分散控制的多级分布式控制系统。

满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。

2.2.2国外PLC发展概况

PLC在问世以来，经过40多年的发展。

在美、德国等工业发达国家已成为重要的产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

目前，世界上有200多个厂家生产PLC。

较多的有美国：

AB通用电气、莫迪康公司；日本：

松下、三菱、富士、欧姆龙等；德国：

西门子公司；法国：

TE施耐德公司。

韩国：

三星、LG公司等

PLC的发展前景

（1）产品规模向大小两个方向发展

大：

I/O点数达14336点，32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，扫描速度快高速；

小：

整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本；

（2）PLC在闭环过程中应用日益广泛；

（3）不断加强通讯功能；

（4）新器件和模块不断推出

目前，plc在国内外都已得到了广泛的应用。

利用plc最基本的逻辑运算.定时。

计数等动能进行逻辑控制。

可以取代传统的继电器控制系统，广泛用于机床，印刷机。

装配生产线，电动流水线及电梯等的控制。

较高档次的plc具有位置控制模块，得别适用于机床控制。

大。

中型plc具有多路模拟量输出和plc控制，可构成模拟量输出的闭环控制系统，用于过程控制。

随着计算机控制技术的发展，国外近几年兴起自动化网络系统，plc与plc之间，plc与上位机之间连成网络，通过光缆传送信息，构成大型的多级分布式控制系统（集散控制系统）

我国使用较多的plc产品德国西门子的S7系列，日本OMRON公司的C系列，三菱公司的FX系列，美国GE公司的GE系列等。

各大公司生产的的可编程序控制器都形成由小型到大型的系列产品，而且随着技术不断进步，产品更新换代很快。

通过技术引进，合资生产，近年来，我国的plc产品有了一定的发展，生产厂家也达30多家，为可编程序控制器国产化奠定了基础。

从可便程序控制器的发展来看，有小型化和大型化两个趋势。

小型plc有两个发展方向，即小（微）型化和专业化。

随着数字电路集成度的提高，元器件体积减小。

质量提高，可编程序控制器结构更加紧凑，设计制造水平的功能在不断进步。

微型化的plc不仅体积小，功能也大有提高。

过去一些大中型plc才有的的功能，如模拟量的处理，通信，PID调节运算等，均可以被移植到小型机上，同时plc的价格不断下降，将真正成为继电-接触器控制系统的替代产品。

大型化指的是大型plc向着大容量，智能