基于PLC的机械手控制系统设计答辩已过.docx

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基于PLC的机械手控制系统设计答辩已过

摘要…………………………………………………………………………………………..Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………...…………...Ⅱ

第1章绪论…………………………………………………………………………...………1

1.1课题研究目的及意义………………………………………………………...………….1

1.2国内外机械手研究概况……………………………………………………...………….2

1.3课题研究的内容……………………………………………………………...………….3

第2章方案设计与论证…………………………………………………………...…………..4

2.1方案设计………………………………………………………………............................4

2.2方案论证……………………………………………………………………...………….5

2.3方案确定………………………………………………………………...……………….7

第3章系统硬件设计…………………………………………………………...……………..8

3.1主电路设计…………………………………………………………………...….………8

3.1.1熔断器的选择……………………………………………………...……….…...…8

3.1.2热继电器的选择………………………………………………...……….……...…8

3.1.3接触器的选择…………………………………………………...……...……….…9

3.1.4系统主电路图………………………………………………………..………….…9

3.2传感器设计…………………………………………………………...…………………10

3.2.1传感器的选型…………………………………………………...…...……………10

3.2.2传感器的工作原理…………………………………………...……...……………11

3.3行程开关的设计………………………………………………...………………………11

3.3.1行程开关的选型…………………………………………...……….……………..11

3.3.2行程开关的工作原理………………………………………...…………………...12

3.4PLC控制电路设计………………………………………………………...…………….12

3.4.1PLC的基本结构……………………………………………...……………………12

3.4.2PLC的工作原理……………………………………………...……………………13

3.4.3PLC的扫描运行方式……………………………………...………………………13

3.4.4PLC的特点………………………………………………...………………………14

3.4.5PLC经济分析……………………………………………...………………………16

3.4.6PLC的发展趋势………………………………………………...…………………17

3.4.7PLC的控制系统的保护措施………………………………...……………………17

3.4.8PLC的选型........……………………………………………...……………………18

3.4.9PLC外部接线图…………………………………………...………………………20

第4章系统软件设计………………………………………………………………………….21

4.1PLC的软件部分…………………………………………………...…………………...21

4.2系统总体设计…………………………………………………...……………………..22

4.2.1机械手的动作实现过程……………………………………...…………………...22

4.2.2系统总体流程图………………………………………………...………………...23

4.2.3系统复位流程图……………………………………………...…………………...23

4.2.4机械手气夹夹紧流程图…………………………………...……………………...24

4.2.5机械手气夹放松流程图…………………………………...……………………...25

总结……………………………………………………………………...……………………26

参考文献………………………………………………………………...……………………27

致谢………………………………………………………………...…………………………28

附录A系统总电路图…………………………………………………………………………29

附录B系统梯形图…………………………………….………………………………………30

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。

机械手能代替人类完成危险、重复、枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力，因此机械手得到了越来越广泛的应用。

本设计主要由硬件设计和软件设计两大部分组成，其中硬件设计包括主电路、控制电路以及电气控制线路的设计，软件设计包括流程图和梯形图的设计。

主电路由电机、热继电器、熔断器、接触器构成；控制电路由PLC控制器、传感器、行程开关等构成。

本设计中由行程开关将位置信号传给PLC主机，PLC分别控制各个交流电机的正反转，从而控制机械手在横轴与竖轴的运动；接近开关将位置信号反馈给PLC主机，通过控制交流电机的正反转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。

本课题设计的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，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。

关键词：

机械手，PLC，传感器

Abstract

Intheindustrialproductionandotherfields,becauseoftheneedofjob,peopleoftenisaffectedbytheharmofhightemperature,corrosionandtoxicgases,thesefactorsincreaselaborintensityofworkers,andevenleadtolife-threatening.Sincethemanipulatorwasborn,thevariousdifficultproblemswereeasilysolved.Robotscanreplacehumanconsummatelydanger,repeattheboringwork,easehumanlaborintensityandimprovelaborproductivity,sorobotshavebeenappliedmoreandmore.

Thisdesignmainlyconsistofthehardwaredesignandsoftwaredesign.Amongthem,hardwaredesigncontainsthemaincircuit，controlcircuitandelectricalcontrolcircuitdesign,softwaredesigncontainsthedesignofflowchartandladder-diagram.Maincircuitconsistofmotor,thermalrelay,fuse,contactor；controlcircuitconsistofPLCcontroller,sensorsandtravelswitch,etc.Inthepaper，positionsignalissenttoPLChostbytravelswitch,PLCcontroltheacmotor'spositive&negativerespectively,soasitcancontrolthemovementofmanipulatoronthehorizontalaxisandvertivalaxis;positionsignalissenttoPLChostbyapproachswitch,PLChostcancontrolthepawsofmanipulatorandrealizetheopenandclosebythecontrolofacmotor'spositive&negative,soasitcanachievethefunctionofaccuratemotion.Thesubjectdesignmaterialshandlingmanipulatorcancatchandputobjectsinspace,maketheactionflexible,accordingtothechangesofworkpieceandthemovementprocessrequirements，itcanchangetherelatedparametersatanytime.

Keywords:

manipulator,PLC,sensors

第1章绪论

随着我国经济以及工业的不断发展，机械手在工厂的地位变得越来越重要，因为它能够在取代人工在高温、潮湿的环境下工作，更好的提高了工作效率，改善了工厂的收益。

本章主要从课题研究的背景、目的及其意义等方面对该设计作出简要概述。

1.1课题研究目的及意义

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。

机械手广泛地应用与锻压、冲压、锻造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业。

特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手由于其显著的优点而受到特别重视。

总之，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。

可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。

随着微电子技术、自动控制技术和计算机通信技术的飞速发展，PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，已经成为工厂自动化的标准配置之一[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。

机械手在美国、加拿大等国家应用较多，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。

我国自动化水平本身比较低，因此用PLC来控制的机械手还比较少。

本次课题设计的机械手就是通过PLC来实现自动化控制的。

通过此次设计可以更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践[2]。

1.2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[3]。

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[4][5]。

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[6]。

1.3课题研究的内容

本课题主要研究的是基于PLC的机械手模型控制系统的设计，包括硬件的设计和软件的设计。

通过设计编制PLC程序实现机械手控制系统的自动控制。

硬件部分包括主电路图的设计、传感器的设计以及PLC控制电路设计。

软件部分包括总体流程图、梯形图、编程指令等。

第2章方案设计与论证

正如“建筑要稳固，地基要打好”，一个系统的设计能否成功，主要取决于它的方案是否合理，也就是说方案的选择是设计系统的核心部分。

本章主要就系统的驱动部分、控制部分等进行方案选择论证，并简述了系统的工作原理。

2.1方案设计

1.方案一：

集散控制系统（TDCS）

（1）硬件组成：

TDCS、A/D转换器、D/A转换器、继电器、电机、显示灯

（2）工作原理：

D/A转换器将外部开关信号转换成模拟信号，然后传给集散控制系统。

集散控制系统通过A/D转换器将输出模拟信号转换成数字信号，从而控制电机的继电器线圈来控制各个电机的正反转，最终使机械手能够在X轴与Y轴运动。

机械手的运动情况由显示灯进行指示。

（3）集散控制系统原理框图：

如下图2.1所示

图2.1集散控制系统原理框图

2.方案二：

工业控制计算机系统（IPCS）

（1）硬件组成：

主机板、外部总线、内部总线、人机接口、通讯接口

（2）工作原理：

工业控制计算机（简称工控机）是一种应用于工业生产过程控制的专用计算机，它能将生产的过程和管理调度相结合，从而使工业在就地控制加集中控制的基础上，进一步向自动化方向发展。

（3）工控机的硬件组成机构：

如下图2.2所示

3.方案三：

PLC控制系统

（1）硬件组成：

PLC、外部开关设备、电源、显示灯、继电器、电机

（2）工作原理：

外部开关设备将机械手的位置信号反馈给PLC主机，PLC主机通过控制各个电机的继电器线圈的通断，从而控制电机的正反转，使机械手能够在横轴与竖轴运动。

机械手的运动状态通过显示灯指示。

（3）PLC控制系统原理框图：

如下图2.3所示

图2.3PLC控制系统原理框图

2.2方案论证

1、各自技术发展的起源

计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。

硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。

PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。

在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID调节等功能模块；运算速度提高，CPU的能力赶上了工业控制计算机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络（LAN），因而也可构成为一个集散系统。

特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。

PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。

2、优缺点

方案一：

TDCS系统是一个大系统，其控制器功能强而且在系统中作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大；它属于封闭式系统，，各公司产品基本不兼容；该系统的信息全都是二进制或模拟信号行程的，必须有D/A和A/D转换；它可以控制和监测工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。

但是由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此它无法在TDCS工程师站上对现场仪表进行远方诊断、维护和组态。

方案二：

用工业PC机控制车库电机是早期用得比较多的一种控制方式，它可以充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资源，利用WINDOWS或其它操作系统，方便地对系统的进行控制。

但是它要求设计人员单独设计系统的I/0接口电路，独立开发系统软件，编制软件的人员素质水平对系统控制有很大影响，因此它不具有通用性。

方案三：

PLC控制系统具有体积小、重量轻、控制方式灵活、可靠性高、操作简单、维修容易。

由于PLC所具有的灵活性、模块化、易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。

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。

3、相同点

在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统（TDCS）之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O模件组成。

编程方面也有很多相同点。

4、不同点

由于PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。

PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令表等。

集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。

特别需要提出的是，PLC与STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。

PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于STD工控机。

总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。

没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品[7]。

2.3机械手控制方式的选定

PLC实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用PLC厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。

PLC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品[8]，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力。

编程安装使用简便、低价格长寿命。

比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。

综上所述，本控制系统采用PLC控制方式。

第3章系统硬件设计

本设计以可编程控制器PLC作为控制核心，为完成系统工艺所需要求，将系统设计分为硬件电路设计和软件两大部分，硬件的设计是系统运行的基础。

本系统中硬件电路主要分为三大板块：

主电路、传感器、PLC控制电路等，以下是各板块的具体设计。

3.1主电路设计

3.1.1熔断器的选择

熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。

熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。

熔断器是一种过电流保护器。

熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。

使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。

以金属导体作为熔体而分断电路的电器，串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备以及家用电器都起到了一定的保护作用。

具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。

因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。

熔断器主要由熔体、外壳和支座三部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。

本设计中采用的熔断器的型号为HRW7-10，额定电压为220V。

3.1.2热继电器的选择

热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。

继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。

热继电器的作用是：

主要用来对异步电动机进行过载保护，他的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。

鉴于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能作过载保护。

由于本设计中的电机的工作状态是反复短时工作制，热继电器仅有一定范围的适应性，因此，选用带速饱和电流互感器的热继电器，其额定电压为220V。

3.1.3接触器的选择

接触器（Contactor）是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：

常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：

常闭触头闭合；常开触头断开。

在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。

接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。

是自动控