基于PLC的机械手控制系统设计毕业设计Word格式.docx
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Steppermotor
1引言·
·
1
1.1课题研究的目的与意义·
1.1.1机械手的概况·
1.1.2机械手在国内外的发展状况·
2
2控制方案
2.2可编程逻辑控制器（PLC）的概述·
3
2.2.1PLC的结构·
2.2.2PLC的特点·
2.2.3PLC的发展趋势·
4
3机械手控制系统的硬件介绍·
6
3.1机械手本体·
3.2机械手电气控制部分·
3.2.1步进电机·
3.2.2步进电机驱动器·
7
3.2.3传感器·
9
3.2.4直流电机与直流电机驱动模块·
3.3PLC控制单元·
10
3.3.1PLC的I/O分配·
11
3.4以上硬件接线图·
12
3.5触摸屏·
4机械手控制系统的软件制作过程·
13
4.1西门子触摸屏SMART700的编程流程·
4.2西门子PLC的编程流程·
16
4.2.1手动动作流程·
4.2.2手动程序仿真·
17
4.2.3PLC对机械手的自动控制梯形图·
26
4.2.4自动程序仿真·
27
4.2.5PLC的高数计数器PTO程序运用·
35
4.3机械手的运行流程·
36
5结论·
38
致谢·
41
参考文献·
42
附录1机械手控制程序·
43
1引言
1.1课题研究的目的与意义
机械手的出现目的是为了减轻工人的劳动力，提高劳动生产率，以及代替劳动者在高温、高压、噪声、等对人体有危害的场合工作，随着工业生产机械化和自动化，越来越多的行业已经开始大规模的使用机械手了，如：
焊接、搬运、装配等等。
再加上微电子技术在机械手中的应用，特别是计算机技术的融入，机械手的发展和应用水平也进一步的提高，在军事、海洋探测、航天、医疗、农业·
领域中得到了广泛的使用。
总而言之，机械手是提高劳动率，改善劳动条件，减轻劳动强度和实现工业自动化的一个重要手段，在国内外对其的应用和发展十分的重视。
可编程序控制器（PLC）是其中一个控制机械手能在工业环境下能够运行的工业控制装置。
由于其其编程简单，可在现场修改编程；
通用性好，能扩展；
实用性强，硬件配套齐全在工业领域中广泛应用[1]。
本次课题设计的机械手就是通过PLC来自动化控制机械手的运行，通过这次的设计来提高对PLC的相关知识了解，将所知道的PLC内容能应用到本次的课题当中，将理论能更好的应道实践当中。
1.1.1机械手的概况
机械手自20世纪60年代问世以来，经过多年的发展已成为制造业生产自动化中重要的机电设备。
在现代工业中，正式在使用的机械手很多属于第一代的机械手，这些机械手基本上采用点位控制系统，主要用于焊接、喷漆和搬运。
第二代机械手是安装有接触类传感器的程序控制机械手，能够根据外部环境的信息对控制程序进行校正[2]。
随着科学技术的不断发展，第三代机械手在第一、二代的基础上发展起来，它是能感知外部环境与对象，并具有对复杂信息能够处理，能对自己行为作出自主决策的智能化机械手，具有专家知识，语音功能和自学能力等人工智能[3]。
1.1.2机械手在国内外发展状况
在新世纪的曙光下的人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境下的工作都由机器人代替人工，因此世界工业机械手的数目每年在递增。
随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在不同行业不断的开辟新用途。
机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并随电子技术的发展和科技的进步，该项技术将日益完善。
我国的工业机械手是从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的大力支持下，通过“75”“85”科技攻关，目前国内生产了部分机器人关键元件，开发出点焊，装配，搬运等机械手。
但相较于国外的工业机械手技术我国还有一定的距离，如：
可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步晚，应用领域窄，生产线系统技术低。
国外的工业机械手发展趋势：
机械手性能不断提高而且价格不断下降；
机械结构模块化、可重构化发展；
控制系统向基于PC机控制方向发展；
传感器在机械手上的应用【4】。
国内的发展状况：
在一些方面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，掌握了自动化喷漆、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【5】。
2控制方案
本次设计的控制系统采用的是PLC控制机械手，相比于单片机虽然成本有所提高，但其输出带负载能力和抗干扰能力强、可靠性好、环境适应能力强。
在工业中所用到的机械手大多都在环境恶劣的地方代替工人做业，将PLC的优势完全的体现出来了，因此本次的控制方案采用PLC。
也许有人也会问为什么不用工控计算机来控制呢，它也有PLC的那些优点，而且功能更完备，但由于考虑到其成本太高，编程复杂，而PLC的那些功能足以控制机械手了，因此在对于机械手的控制上大多数都采用PLC控制，这也是本次采用PLC的原因。
下面是对PLC的介绍。
2.1可编程逻辑控制器（PLC）的概述
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC或PC，是从早期的继电器逻辑控制系统发展起来的，它加入了微计算机技术后功能不断增强，逐渐适应复杂的控制任务。
2.1.1PLC的结构
PLC由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成【6】。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。
其结构简图如图1所示：
图2-1PLC结构图
2.1.2PLC的特点
PLC发展如此迅速是因为他具有一些其他控制系统（如DOS和通用计算机等）所不及的一些特点。
1、灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。
而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
2、可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等）下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。
为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。
3、操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。
对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。
工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
4、功能强
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。
因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；
既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；
既可控制简单系统，又可控制复杂系统；
既可现场控制，又可远程控制。
5、体积小、重量轻和易于实现机电一体化
由于PLC采用了半导体集成电路。
因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。
且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备【7】。
2.1.3PLC的发展趋势
现代PLC的发展主要有两个趋势：
一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；
二是想大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
网络化和通信能力强势PLC发展的一个重要方面，向下课将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
随着自调整、步进电机、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
3机械手控制系统硬件介绍
本系统的硬件主要有三大部分组成：
机械手本体、PLC控制单元、触摸屏组成。
3.1机械手本体
机械手本体按功能分课分为二轴平移机构、旋转手臂机构、夹手、支架、限位开关等部件；
按活动关节分为S轴、L轴、U轴、T轴、B轴等机构，其结构示意图如图2-1所示：
图3-1机械手示意图
3.2机械手的电气控制部分
机械手的控制系统是安装在机械手上的步进电机、传感器、直流电机和驱动步进电机运行的步进电机驱动器等。
3.2.1步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的【8】。
本次设计采用二相八拍混合式步进电机来控制机械手的动作，相比直流电机有更好的制动效果，又加上滚珠丝杆和滑杆配合，使机械手的运动更加稳定。
主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。
本模型中采用串联型接法，其电气接线图如图2-2所示：
图3-2步进电机电气接线图
3.2.2步进电机驱动器
步进电机驱动器主要有电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。
本次用到的型号为SH-2H057。
驱动器部分参数如下表2-1。
PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理，如图2-3所示。
步进电机驱动器有电源输入部分、信号输入部分、信号输出部分等，利用驱动器可以很方便的对步进电机的转速、方向进行控制。
驱动器电源由面板上电源模块提供，驱动器信号端采用+24V供电，需加1.5K限流电阻。
驱动器输入端为低电平有效。
PLC通过控制其输出点来控制驱动器光耦的开合，当PLC输出线圈得电时，晶体管导通，相应的触电输出低电平，使驱动器光耦导通，当PLC输出线圈失电时，晶体管关断，使驱动器光耦截止。
另外若不采用驱动器，而采用PLC输出触点直接驱动步进电机，会占用很多的输出触点，同时给编程带来不便。
表3-1接线信号描述
信号
功能
PUL
脉冲信号：
上升沿有效，每当脉冲由低变高时电机走一步
DIR
方向信号：
用于改变电机转向，TTL平驱动
OPTO
光耦驱动电源
ENA
使能信号：
禁止或允许驱动器工作，低电平禁止
GND
直流电源地
+V
直流电源正极，典型值+24V
A+
电机A相
A-
B+
电机B相
B-
图2-3PLC控制器与步进电机驱动器连接及工作原理
图3-3步进电机与其驱动器接线图
3.2.3传感器
机械手上所装的传感器为行程开关。
机械手的伸缩、升降均采用行程开关来限位，并通过改变接近开关的位置来调节横轴和竖轴的运动范围。
行程开关：
又称限位开关，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来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。
其基本结构如图3-4所示：
图3-4行程开关基本结构图
3.2.4直流电机与直流电机驱动模块
本装置中直流电机驱动模块是由一个继电器的吸合与断开来控制电机的转动方向的，从而实现夹手的动作。
本模型所用输入、输出均为低电平有效。
其中IN端接PLC的输出端口，OUT端接模型的信号输入端。
COM端接PLC的传感器电源负端。
电平转换板原理图如图2-5所示。
图3-5直流电机电平转换原理图
直流电机就是将直流电能转化为机械能的电机。
本次设计的机械手的夹手有一台直流电机控制。
输入电压为12V~24V，两端的导线分别接直流驱动模块。
联系上面的驱动模块简单说明一下机械手如何实现抓取，释放的：
当PLC的输出端给IN端输入信号，若此时COM端接地，而OUT端接直流电机的输入端，若此时电磁阀通电，则此时认为直流电机为正传，带动机械手执行抓取动作，同理，当IN端有PLC信号输入时，COM端与OUT端分别接地和点击输入端，电磁阀断电，直流电机反转，带动机械手执行释放动作。
3.3PLC控制单元
本次系统的PLC控制器采用的是西门子S7-200，S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU224系列PLC的CPU外型图如图2-6，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。
图3-6S7-200CPU外型图
S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
图2-7展示了一个基本的S7-200MicroPLC.它包括一个S7-200CPU模块,一台个人计算机（PC）,STEP7-Micro/win32（3.1版）编程软件,以及一条通讯电缆（一条PC/PPI电缆；
一个通讯处理器（PC）和多点接口（MPI）电缆；
一块MPI卡,随MPI卡提供一根通讯电缆）。
图3-7S7-200MicroPLC系统的组成
3.3.1PLC的I/O分配
根据本次设计的机械手动作的要求和机械手实物教学实验装置说明指导，输入、输出点分配如表2-2所示。
表3-2输入、输出点分配
名称
输入
输出
手动下降按钮
M0.0
驱动器一PUL
Q0.0
手动上升按钮
M0.1
驱动器二PUL
Q0.1
手动左移按钮
M0.2
驱动器一DIR
Q0.2
手动右移按钮
M0.3
驱动器二DIR
Q0.3
手动抓紧按钮
M0.4
手夹电机正转ML
Q1.0
手动释放按钮
M0.5
自动运行按钮
M0.6
手夹反转电机MR
Q1.1
切换到单周期按钮
M0.7
电磁阀
Q1.4
3.4以上所述硬件接线图
图3-8硬件接线图
3.5触摸屏
本系统的触摸屏使用的是西门子SMART700，利用电脑上已装好的WINCCFlexible2008软件对触摸屏进行编程。
用到的触摸屏主要是是用于对机械手的启动、停止、手动、自动操作的切换控制。
将电脑上编好的程序下载到触摸屏上，而触摸屏与PLC的数据传送由它们之间的通信电缆传输，通过触摸屏上的数据传输到PLC，再由PLC控制机械手的动作。
4机械手控制系统的软件制作过程
对于机械手的控制需要用到的控制器都要进行软件编程，它主要包括两方面：
对西门子PLC的编程和对其触摸屏的编程。
4.1西门子触摸屏SMART700的编程流程
对西门子触摸屏编程所用到的软件为WINCCFlexible2008，该软是德国西门子公司工业全集成自动化的子产品，是一款面向机器自动化的HMI软件。
由于软件的操作步骤用流程图来表达不能清晰的让人了
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