用PLC实现对机械手的的控制设计.doc

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1、无锡科技职业学院毕业设计（论文）用PLC实现对机械手的控制毕业设计（论文）报告题 目：用PLC实现对机械手的控制 系 别 中德机电学院 专 业 机电一体化技术 班 级 机电1104 学生姓名 厉登超 学 号 100111271 指导教师 张如萍 无锡科技职业学院2014年4月36用PLC实现对机械手的控制摘要:机械手是一种为了适应生产过程自动化发展起来的新型装置。它综合运用了自动控制技术、检测传感技术、计算机技术，机械手可以实现在有限空间对象物体的抓取、放置和搬运，动作灵活，广泛应用在有毒、有害等不适宜人操作的场所。本文首先对机械手的控制现况进行了分析，介绍了经常使用的机械手控制形式，详细描述

2、了利用西门子S7 200PLC控制工业产业中常见机械手的设计过程，包含对PLC控制系统的硬件和软件的设计，实现了机械手在推料口之间工件运输作用。该机械手运输功能由机构的左右运动、上下运动和加紧松开运动协调动作来实现，本系统具有手动和自动操作模式。关键字:PLC，机械手。To Achieve Control of the Manipulator Using PLCABSTRACT: A new assembly developed mechanical hand is mechanization, automation of the production process. It is the a

3、utomatic control product set automatic control skills,skills, new sensor measurement skills, computer management skills in one of the.In space manipulator can be caught, put, transporting objects, actions are flexible and diverse, widely used in industrial production and other areas. This paper firs

4、t analyzes the manipulator control over the situation, introduced the commonly used manipulator control, a detailed description of the use of siemens S7 200PLC in charge of industry common manipulator planning process, including on PLC control system hardware and software design,completed the mechan

5、ical hand in between the two work station work transport function. The machine hand transport function by the left, right, up, down, step up and relax six motion coordinated action to realize, the system has manual and automatic operation mode.KEYWORDS: PLC Manipulator 目录摘要:I目录III前言1第一章 机械手控制过程的设计21

6、.1 机械手的控制要求21.2 机械手控制系统结构图3第二章 机械手驱动硬件的设计42.1 PLC的概述42.2 PLC的选型42.3 PLC在机械手中的应用42.4 驱动系统52.4.1.步进电机驱动器52.4.2.步进电机及其驱动器的选型52.4.3步进电机驱动器与PLC连接示意图62.5机械手控制元器件的选择以及电气的接线原理布局图72.5.1.元器件型号的选择72.5.2.电动元器件控制部分接线7第三章 机械手控制系统的PLC软件设计133.1输入点和输出点分配表以及机械手自动模式动作流程图13 3.1.1.PLC 输入/输出点133.1.2.触摸屏输入/输出点133.1.3 自动模式

7、动作流程图163.2 控制程序173.2.1 机械手控制主程序183.2.2 机械手手动操作程序193.2.3 机械手自动操作程序213.3 机械手控制程序的调试35致谢36参考文献37前言机械手可以模仿人的手和手臂的运动的一种自动操作装置。机械手是首先呈现的产业机器人，也是最早呈现的呈现机器人，它可替代人沉重劳动以完成生产的机械化和自动化，能够在有害的状况下操纵以保护人身安全。由于电子技术的发展，机械手控制的智能化是未来的发展趋势。机械手的特点是通过编程完成预期的工作，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和在任何环境中完成作业的能力，在国民经济

8、各领域有着广阔的发展前景。机械手基于机械自动化生产过程中发展起来的一种新式装置，机械手被普遍的运用于自动化生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术领域内快速发展起来的一门新兴的产业。机械手虽然不如人手柔性好，但它具有不怕疲劳，不怕危险，可用在重复的动作或危险有害的工作场所，因此，机械手会越来越广泛地得到应用。第一章 机械手控制过程的设计1.1 机械手的控制要求设计其结构如图所示图1-1 坐标式机械手运动原理图如图所示，将物体从位置A搬至位置B图中设置6个行程开关SQ1SQ6，9磁传感器B3 - B11用于检测工件是否到位、机械手臂的位置及机械手卡爪的夹紧、放松状态，其中SQ3、SQ4为机械手左

9、移和右移接近开关；SQ5、SQ6为机械手上升和下降接近开关；B3、B4分别为机械手夹紧放松检测开关；B5、B6、B7分别为气缸伸出与缩回检测开关；B8、B9、B10、B11分别为工件检测开关。机械手搬运过程中要求能够实现自动与自动控制的切换，利于对设备调整和维护。如下图所示的是机械手操控系统的流程图。图1-2 机械手操控系统的流程图1.2 机械手控制系统结构图 根据机械手的运动以及控制方式，设计机械手控制系统的结构框图，如下图所示，Z轴步进电机X轴步进电机机械卡爪松紧机械臂伸缩推料一伸出推料二伸缩步进电机驱动器气动阀操作P L C检测传感器触摸屏图1-3 机械手控制系统的结构框图第二章 机械手

10、驱动硬件的设计2.1 PLC的概述可编程序控制器（PLC)，它是以微处理器为基础，归纳了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络节能发展起来的一种通用的产业自动控制装置。由于显著的优点，已广泛应用于冶金，化工，交通，电力和其他领域，已成为现代工业控制的三大支柱。在可编程序控制器问世之前，产业控制范畴中继电器掌管占主导地位。继电器控制具备构造单一、易于操作、价格便宜，在工业生产中利用甚广。但控制装置体积大，动作缓慢，功能少，特别是因为它依赖于硬件系统，布线的复杂性，通用性和灵活性较差。2.2 PLC的选型西门子226CPU输入端有24个接口，输出端有16个接口共40I/O点。

11、可连接7个拓展模块，最大拓展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/0点，它有13K字节程序和数据保存空间，6个独立的30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具备PID控制器，2个S-485通讯编程口，具备PPI通讯协定、具有MPI通讯协议和自由形式通讯功能。用于较高要求的操控系统，具备更多的输入/输出点，更强的模块拓展能力，更快的运转速率和作用更强的内部集成特别功能。完全可以适用于一些复杂的小型控制系统。然后考虑冗余设计的要求，需要10%个冗余I / O。通过系统分析，机械手的控制这一课题有23个输入，15个输出点。根据PLC的I/O点和存储有冗余和一定沟通能力的选择，在德

12、国西门子S7-200PLC CPU226公司控制选择主机类型，以及S7-200 PLC EM223扩展模块2个。2.3 PLC在机械手中的应用机械手通常应用于动作繁杂的场所用来代替人的重复的操作，从而节约人力的劳动，通常的继电器因为其体积和接口等问题带来的各方面限定，常常被应用于动作单一的电气自动化流水线控制，而PLC凭借其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强，编程简单、利用、维护方便;配合便利、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等功能被普遍应用于类似机械手的控制动作繁杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种运动的。2.4 驱动系统本机械手采用步进电机

13、和气动驱动两种驱动方式，X轴和Z轴由步进电机驱动，Y轴（机械臂）伸出和缩回由气缸驱动，工件的夹取和放开由机械爪气缸驱动。控制系统实现机械手上升，下，左、右协调动作。步进电机可以实现和现代的数字控制技术系统相结合。在精度要求不是需求特别高的场合就能够使用步进电机，步进电机可以运用其构造简单、可靠性高和成本低的特征。步进电动机以其显著的特征，在数字化制造时期发挥着重大的用处。伴随着差别的数字化技术的发展以及步进电机本身技术含量的不断提高，步进电机在生产过程中的很多领域都获得了利用。 气压驱动由于气源便利，反映快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵便的控制计划，因此被广泛运用在自动

14、化生产中。本论文设计的机械手电驱动部分采用步进电机驱动。步进电机与丝杆通过联轴器连接。机械手的左和右的运动是通过丝杆的旋转来实现的，最终是由步进电机来完成的。 机械臂以的伸缩以及机械卡爪对物体的抓取是通过气缸来完成。机械手的整个运动过程需要步进电机与气缸的协调运作来完成。2.4.1.步进电机驱动器利用、控制步进电机必需由环形脉冲，功率放大等构成的控制系统，其方框图如下图步进电机驱动进程图图2-1 步进电机驱动进程图2.4.2.步进电机及其驱动器的选型本设计中采用的的机械手，对其动力源步进电机的选型主要考虑的方面是电机的尺寸是否能够安装到机械手上，在能安装到机械手上的前提下，尽量选择大功率电机使

15、机械手带负载能力增强，所以本文选择的步进电机以及驱动器分别是DM4250E型和DMD402A型2.4.3步进电机驱动器与PLC连接示意图图2-2图2-3本机械手PLC的输出+24V经A2（图2-3）的电阻限流后送驱动器的输入。Q0.0高速脉冲限流后送A3（X轴）驱动器的脉冲输入（PUL+)；QO.2高速脉冲限流后送A3（X轴）驱动器的脉冲输入（DIR+)；Q0.1高速脉冲限流后送A4（Z轴）驱动器的脉冲输入（PUL+)；QO.2高速脉冲限流后送A4（Z轴）驱动器的脉冲输入（DIR+)（图2-2）.驱动器输入端PUL-和DIR-接24V的负端。2.5机械手控制元器件的选择以及电气的接线原理布局图

16、2.5.1.元器件型号的选择序号名称型号生产厂家数量124V直流电源DR-120-24MW12气缸传感器CSI-MAIRTAC33气缸传感器CS1-GAIRTAC44按钮（绿）XB2 2A135Schneider15按钮（红）XB2 EA145Schneider16急停按钮JNP4-11ES/SSchneider17旋转开关NP4-11X/SSchneider18步进电机驱动器DMD402A乐创29单向断路器DZ47-60C10CHNT110电感式传感器EV-10M M8XP1松下111S7-200 PLC CPU2266ES7 216-2AD23-0XB0西门子112S7-200 PLC E

17、M2236ES7 223-1BM22-0XAOB2西门子213行程开关V-155-1C25欧姆龙114步进电机DM4250E乐创115安全断电器PNOZX1PILZ116中间继电器RXM4L B2BDSchneider117微动开关YBLXW-5111D1CHNT118警示灯XVGB3TSchneider119人机界面MT6070IHWeinview120双向断路器T1B1-63 C25TCL121电感传感器XS50B1NAL2施耐德3表2-42.5.2.电动元器件控制部分接线根据机械手的控制要求，设计机械手控制部分接线原理图，如下图所示，图2-5图2-5所示，1Y1为控制机械臂伸出的电磁阀；

18、1Y2为控制机械臂缩回的电磁阀U2:Q0.5输出信号，1Y1为“1”，机械臂伸出；U2：Q0.6输出信号，1Y2为“1”，机械臂缩回。图2-6 图2-6所示，2Y1为控制机械卡爪松开的电磁阀；2Y2为控制机械卡爪抓取的电磁阀。3Y1为控制推料装置1伸出的电磁阀。4Y1为控制推料装置2伸出的电磁阀；4Y2为控制推料装置2缩回的电磁阀。U3:Q0.0输出信号，2Y1为“1”，机械爪松开；U3:Q0.1输出信号，2Y2为“1”，机械爪抓取。U3:Q0.2输出信号，3Y1为“1”，推料装置1伸出。U3:Q0.3输出信号，4Y1为“1”，推料装置2伸出； U3:Q0.4输出信号，4Y2为“1”，推料装置

19、2缩回。图2-7图2-7所示，K1为安全继电器，起到了安全的作用U4:Q0.1输出信号，红灯亮，机械手紧急停止U4:Q0.2输出信号，黄灯亮，机械手暂停工作U4:Q0.3输出信号，绿灯亮，机械手正常工作图2-8图2-8所示，X轴左极限SQ3；X轴右极限SQ4.Z轴下极限SQ5；Z轴上极限SQ6.当为“1”时SQ3、SQ4、SQ5、SQ6分别断开，极限保护。B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7分别为磁性传感器，用于检测气缸伸出、缩回是否到位。B1，机械臂缩回位，缩回为“1”；B2，机械臂伸出位，伸出为“1”。B3，机械爪夹取位，夹取为“1”；B4，机械爪松开位，松开为“1”。B5，推料装置1

20、缩回位，初始位置为“1”。B6，推料装置2缩回位，缩回为“1”；B7，推料装置2伸出位，伸出“1”。图2-9图2-9所示，Pos.1、Pos.2、Pos.3、Pos.4为传感器，检测工件是否到位。Pos.1（B8），工件检测，有工件为“1”。Pos.3（B10），工件检测，有工件为“1”。Pos.2（B9），工件检测，有工件为“1”。Pos.4（B11），工件检测，有工件为“1”。S1为手动/自动切换按钮，为“1”时为自动。 S2为循环停止按钮，初始状态为常闭。 图2-10 图2-10所示，S0为紧急停止按钮，初始状态为常开。 OV2为保护开关（复位按钮），正常闭合。 S3为启动按钮，初始状态

21、为常开。 S4为暂停按钮，初始状态为常闭。第三章 机械手控制系统的PLC软件设计3.1输入点和输出点分配表以及机械手自动模式动作流程图3.1.1.PLC 输入/输出点机械手传送系统输入和输出点分配，控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O，符号，以及用途分配如下表所示输入地址用途符号自然状态输出地址用途符号I0.0X轴参考点SQ1常开Q0.0X轴脉冲x-pulI0.1Z轴参考点SQ2常开Q0.1Z轴脉冲z-pulI0.2X轴左极限SQ3常闭Q0.2X轴方向x-dirI0.3X轴右极限SQ4常闭Q0.3Z轴方向z-dirI0.4Z轴下极限SQ5常闭Q0.4I0.5Z轴上极限SQ6常

22、闭Q0.5机械臂伸出1Y1Q0.6机械臂缩回1Y2I1.0机械臂缩回位B1缩回“1”I1.1机械臂伸出位B2伸出“1”Q2.0机械爪松开2Y1I1.2机械爪夹取位B3夹取“1”Q2.1机械爪夹取2Y2I1.3机械爪松开位B4松开“1”Q2.2推料装置1伸出3Y1I1.4推料装置1缩回位B5初始位“1”Q2.3推料装置2伸出4Y1I1.5推料装置2缩回位B6缩回“1”Q2.4推料装置2缩回4Y2I1.6推料装置2伸出位B7伸出“1”Q3.0安全继电器复位K1I3.0Pos.1工件检测B8有工件1Q3.1指示灯 (红)H1I3.1Pos.2工件检测B9有工件1Q3.2指示灯（黄）H2I3.2Pos

23、.3工件检测B10有工件1Q3.3指示灯（绿）H3I3.4手动/自动S1常开I3.5循环停止S2常闭I3.6Pos.4工件检测B11有工件1I4.1紧急停止S0常开I4.2安全继电器OV2正常闭合I4.3启动S3常开I4.5暂停S4常闭表3-13.1.2.触摸屏输入/输出点根据机械手的运动状态设计机械手在触摸屏存储地址输入/输出地址，其名称，屏号以及功能如下表所示1) 机械手触摸屏输入变量表序号屏上名称存储地址所在屏号功能状态1复位按钮M10.5初始界面位状态设定按下瞬时为12X-回零M11.3手动操作位状态设定按下瞬时为13Z-回零M11.4手动操作位状态设定按下瞬时为14X轴回零起始方向M

24、6.4手动操作位状态切换按下0-1切换5Z轴回零起始方向M6.1手动操作位状态切换按下0-1切换6推料1M106手动操作位状态切换按下0-1切换7机械手升降VW300手动操作多状态切换按下0-1-2间切换8机械手左右VW302手动操作多状态切换按下0-1-2间切换9机械爪松夹VW304手动操作多状态切换按下0-1-2间切换10机械臂伸缩VW306手动操作多状态切换按下0-1-2间切换11推料2伸缩VW308手动操作多状态切换按下0-1-2间切换12Pos.2 X轴坐标设定VD900参数设定数字输入32位存储器13Pos.3 X轴坐标设定VD904参数设定数字输入32位存储器14Pos.2 夹取

25、Z轴座标VD908参数设定数字输入32位存储器15Z轴上升坐标设定VD912参数设定数字输入32位存储器16Pos.3 放工件Z轴坐标VD916参数设定数字输入32位存储器序号屏上名称存储地址所在屏号功能状态1复位按钮M10.5初始界面位状态设定按下瞬时为12X-回零M11.3手动操作位状态设定按下瞬时为13Z-回零M11.4手动操作位状态设定按下瞬时为14X轴回零起始方向M6.4手动操作位状态切换按下0-1切换5Z轴回零起始方向M6.1手动操作位状态切换按下0-1切换6推料1M106手动操作位状态切换按下0-1切换7机械手升降VW300手动操作多状态切换按下0-1-2间切换8机械手左右VW3

26、02手动操作多状态切换按下0-1-2间切换9机械爪松夹VW304手动操作多状态切换按下0-1-2间切换10机械臂伸缩VW306手动操作多状态切换按下0-1-2间切换11推料2伸缩VW308手动操作多状态切换按下0-1-2间切换12Pos.2 X轴坐标设定VD900参数设定数字输入32位存储器13Pos.3 X轴坐标设定VD904参数设定数字输入32位存储器14Pos.2 夹取Z轴座标VD908参数设定数字输入32位存储器15Z轴上升坐标设定VD912参数设定数字输入32位存储器16Pos.3 放工件Z轴坐标VD916参数设定数字输入32位存储器表3-22）机械手触摸屏输出变量表序号屏上名称存储

27、地址所在屏号功能状态1第1步M13.0自动操作位状态显示第1步闪烁2第2步M13.1自动操作位状态显示第2步闪烁3第3步M13.2自动操作位状态显示第3步闪烁4第4步M13.3自动操作位状态显示第4步闪烁5第5步M13.4自动操作位状态显示第5步闪烁6第6步M13.5自动操作位状态显示第6步闪烁7第7步M13.6自动操作位状态显示第7步闪烁8第8步M13.7自动操作位状态显示第8步闪烁9第9步M14.0自动操作位状态显示第9步闪烁10第10步M14.1自动操作位状态显示第10步闪烁11第11步M14.2自动操作位状态显示第11步闪烁12第12步M14.3自动操作位状态显示第12步闪烁13第13

28、步M14.4自动操作位状态显示第13步闪烁14第14步M14.5自动操作位状态显示第14步闪烁15第15步M14.6自动操作位状态显示第15步闪烁16第16步M14.7自动操作位状态显示第16步闪烁17暂停M5.2自动操作位状态显示暂停时闪烁18X轴坐标VD1000数值显示X轴当前坐标值19Z轴坐标VD1004数值显示Z轴当前坐标值20当前步VB200自动操作当前步号显示当前步号值表3-33.1.3 自动模式动作流程图根据机械手自动模式的动作要求，设计自动模式机械手的动作流程图，具体的步骤以及要求如下图所示，图3-43.2 控制程序机械手控制程序主要包括2个子程序，即手动操作和自动操作程序。为

29、了实现机械手自动/手动切换，本程序建立了一个手动与自动操作转换按钮（I3.4），没有操作为手动操作，操作则为自动操作。3.2.1 机械手控制主程序机械手控制主程序以及相应的功能如下图所示，M4.5为X轴右限保护，为“1”时极限保护；M4.6为X轴右限保护；M3.5为Z轴上限保护；M3.6为Z轴下限保护。此模块用于传递机械手运动过程中的全局参数，启动/停止频率为400，最大频率为1500，最大减速时间为2.5S，M3.5,M3.6，M4.5，M4.6分别为机械手Z X上的限位开关，VD100为X,Z上的绝对位置对机械手的整个系统进行保护I3.4.用于机械手手动与操作自动操作之间的转换，为点触式按

30、钮，不对其操作位手动，对其操作为自动3.2.2 机械手手动操作程序机械手控制程序手动操作程序以及相应的手动程序功能如下图所示存储位置VW302对应触摸屏上的机械手左右按钮，VW302=1，机械手向左运动； ，VW302=2，机械手向右运动按照指定的方向和频率运动，输入一次脉冲信号，按下点触启动按钮，发出上升沿信号，机械手向左运动，在输入一次信号，M1.6为“1”，方向相反，机械手向右运动。VD1000为机械手X轴坐标上的绝对位置存储位置VW300对应触摸屏上的机械手升降按钮，VW300=1，机械手向上运动； ，VW300=2机械手向下运动输入一次脉冲信号，按下点触启动按钮，发出上升沿信号，机械

31、手向上运动，在输入一次信号，M1.5为“1”，方向相反，机械手向下运动。VD1004为机械手Z轴坐标上的绝对位置启动点触式按钮I4.3，发出下降沿信号，机械手X，Z轴分别停止运动存储位置M11.3对应触摸屏上的X轴回零按钮。存储位置M11.4对应触摸屏上的Z轴回零按钮寻找参考点，寻找起始位置，按下X，Z回零按钮，发出上升沿信号，开始寻找参考点的其实方向,M6.1，M6.4为控制Z,X轴起始方向的线圈，起到了过度作用。存储位置VW306对应触摸屏上机械臂伸缩按钮，VW306=1,机械臂伸出； ，VW306=2,机械臂缩回输入一次脉冲信号，按下点触式启动按钮，机械臂伸出，再输入一次脉冲信号，按下点

32、触式启动按钮，机械臂缩回存储位置VW304对应触摸屏上机械卡爪抓紧放松按钮，VW304=1,机械卡爪松开； ，VW304=2,机械卡爪抓紧输入一次脉冲信号，按下点触式启动按钮，机械爪松开，再输入一次脉冲信号，按下点触式启动按钮，机械爪夹取存储位置M10.6对应触摸屏上推料一气缸伸出按钮存储位置VW308对应触摸屏推料气缸二伸缩按钮，VW308=1,气缸伸出； ，VW308=2,气缸缩回按下触摸屏推料1按钮，按下点触式启动按钮，推料1伸出；输入一次脉冲信号，按下点触式启动按钮，推料装置2伸出，再输入一次脉冲信号，按下点触式启动按钮，推料装置2缩回。3.2.3 机械手自动操作程序当选择开关拨到自动

33、控制位置时，进入自动控制子程序，机械手完成一个周期地连续动作。输入端SM0.1为初始化脉冲，执行程序的第一个扫描周期为“1”状态，用于初始化程序。当需要停止循环操作时，按循环停止按钮（I3.5），完成一个周期的动作后停止,机械手控制程序手动操作程序如下图所示，3.3 机械手控制程序的调试在程序调试过程当中存在一系列的问题，但最终这些问题都逐一解决了。在刚开始编程时，由于对MAP库的了解不是很好，所以我犯了很多错误，由于机械手组件本身存在一些问题，所以在调试时，机械手动作并不能完全符合控制要求。经过不断获取信息，研究，改进后，致使调试成功。机械手运行良好，动作正确，符合控制要求。致谢本设计是在老

34、师的指导下完成的。导师为论文课题的钻研提出了很多指导性的建议，为论文的编写、改正提供了许多详细的引导和辅助。她治学严谨，不断探索科学化，尖锐深刻的学术见解，勤奋敬业，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。通过这样的设计，一方面让我认识到自己的不足，在学习中寻找错误；另一方面，积累了丰富的知识，学习方法和别人的经验，提高解决复杂问题的能力，探索出一套解决复杂问题的一个坚实的基础，为今后的学习和工作。另一方面也加强了我和老师交流，实现程度的渊博的知识。通过此次的奋勉，使我成功的落成了毕业设计。本毕业设计不仅是对过去三年的知识进行了总结，和他们的知识的积累，也大大提高了机械手的技术的认识。 毕业设计是一个精神与操作，一个理论与实际的过程。只是有表面是不够的，更重要的是实际的操作，我们所设计的实物，具备设计公道，经济实用的长处。这就必要咱们设计者考虑问题是要细心、严密，对丝毫的大意不能存有。对设计方案的优化，我们还需要考虑综合因素的各个方面，特别是实际。再次对教诲指导吾的师长及同学表示真挚的感激！参考文献【1】电气控制与PLC双元制教材 （张如萍 主编）【2】徐国林主编PLC应用技术机械工业出版社。2007【3】机械简明手册乌尔里希.费舍尔 等著湖南科学技术出版 社【4】机械手参考资料张如萍摘录