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1、分 类 号 密 级 宁学院毕业设计(论文)PLC控制机械手装置所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文PLC控制机械手装置均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要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。电气方面有交流电机、变频器、传感器、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、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输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴
2、和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过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。关键词：机械手，PLC，变频器，交流电机AbstractManipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the
3、 mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical r
4、epresentative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to th
5、e switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexi
6、ble, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. Key Words: Manipulator，PLC，Inverter，AC motor目 录摘 要IAbstractII目 录3第一章 概要41.1本课题的意义41.2
7、 本文主要做的工作41.2.1 问题提出41.3 选择设计方案5第二章 PLC 的概述62.1 PLC基本知识62.2西门子S7-200的编程语言 102.3 PLC的应用与前景132.3.1、强量逻辑运算132.3.2 国外PLC发展概况14第三章PLC控制程序的设计153.1各电器设备的控制方式及控制要求153.2电气元件、设备的选择173.3控制系统的硬件设计223.4控制系统的软件设计26总 结38致 谢39参考文献40第一章 概要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
8、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1.2.1 问题提出 在工业生产和其他领
9、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。机械手的设计与操作也显得日益重要。1. 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； 3.课题分析 机械手是一种能模拟人的手臂的部
10、分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置；本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由气压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则。机械手需要将工件从工作台甲移送至工作台乙上，其动作过程为下降，上升，右移，再下降，再上升，左移。这些动作均由电磁阀控制液压系统来驱动完成此外，机械手在夹送工件右行到位后，如果工作台乙上的工件尚未移走，机械手则停止运动，待工作台乙上的工件被运走后，机械手才能下降。限为位开关SQ0.0,SQ0.1,SQ0.2,SQ0.3分别对机械手的上升,下降,左转,右转进行限位,并给出了动作到位的信号。而夹紧,放松动作的转换则
11、由时间继电器控制。另外还有光电开关ST5来检测工件是否移走.为下一个工作准备。1.3 选择设计方案目前机械手的控制有两种方式，一单片机，二PLC.在机械手设计中相对PLC有以下优点：可编程控制器（）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便，在工业控制中有着广泛的应用。 SIMATIC S7-200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
12、、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。S7-200 PLC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STEP7 Micro/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
13、动化方案的理想控制设备。也可选择基于PIC16F877单片机的机械手控制系统的设计 主要实现的是机械手控制系统在PIC单片机中的实现问题.并从机械部分的工作原理,硬件接口的设计以及软件部分方面进行了设计的构想。但在机械手的设计中单片机有一些缺点1.电路设计中，由于单片机系统的自保护能力差，因而需要配置较多的保护电路，以避免系统的崩溃。2.机技术的发展，虽然可以实现单片机的在线编程，但是这远远满足不了机械手殊的系统对程序的增减、修改及运行中的监视等灵活性的要求。这些不灵活方便的话，会导致现场调试与维护变得很麻烦。3.体技术、微电子技术的发展，使得单片机系统的抗干扰能力得到了很大的提高，但是还是很
14、难满足一些特殊场合，尤其是恶劣的环境下的抗干扰要求。4.PLC技术的发展，应用PLC就能很好的解决单片机系统摧折的问题。基于PLC的控制系统安全、可靠、使用与维护方便。综上所述本设计中采用PLC设计。第二章 PLC 的概述2.1 PLC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、P
15、LC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Programmable Controller（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Programmable Logic Controller（
16、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
17、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
18、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3040%。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CP
19、U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
20、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
21、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I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等
22、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。按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型，中型和大型三类（1）.型PLCI/O点数2048点，多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8-16KS7-400 德国西门子公司GE-IV GE公司C-2000 立石公司K3 三菱公司五、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
23、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
24、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
25、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2.2西门子S7-200的编程语言 可编程控制器的编程语言按IEC61131-3国际标准来分主要包括图形化编程语言文本化编程语言。图形化编程语言包括:梯形图(LD-Ladder Diagram)、功能块图(FBD-Function Block Diagram)、顺序功能图(SFC-Sequentia
26、l Function Chart)。文本化编程语言包括:指令表(IL-Instruction List)和结构化文本(ST-Structured Text)。这些语言是基于WINDOWS操作系统的编程语言.而SFC编程语言则在两类编程语言中均可使用。下面分别来介绍这几种编程语言。不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言也就那么几种。下面，以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。1、顺序功能图（SFCSeauentialFuctionChart） 这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被
27、划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。西门子STEP7中的该编程语言是S7Graph。2、梯形图编程语言（LADLAdderDiagram） 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解,因此许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用的梯子，故名梯形图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力
28、轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态.这是使用使用最多的PLC编程语言。因与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制的指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。不适合于编写大型控制程序。一个简单的梯形图程序如图3.1所示: 图3.1梯形图表示的PLC程序实例梯形图的每个梯级表示一个因果关系,事件发生的条件表
29、示在梯形的左面,事件发生的结果表示在梯级的右面。 梯形图编程语言具有如下特点:(1) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;(2) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习;(3) 对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;(4) 可读性仍不够好。 几乎所有PLC厂商提供的PLC都支持梯形图编程语言,而且都比较容易理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的S7系列梯形图就没有右边的电力轨线。有时在有此参考书中右边的电力轨线也常常被省略。3、功能块图（FBDFunctionBlockDiagram）功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用
30、矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。 功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND，OR XOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。功能块编程语言具有以下特点:(1) 以功能模块为单位,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;(2) 功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言;(3) 对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间;(4) 因为每一
31、个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。图3.3-4用功能图表示的PLC程序实例4语句表（STLSTatementList）是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语言表适合于经验丰富的程
32、序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。 如表3.3-3所示LD I0.1O Q0.0 AN I0.0= Q0.0 表3.3-3用语句表表示的PLC程序实例2.3 PLC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：2.3.1、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
33、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
34、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。2.3.2 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
35、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pl
36、c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
37、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，智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制，对大规模，复杂系统进行综合性的自动控制。第三章PLC控制程
38、序的设计3.1各电器设备的控制方式及控制要求1 机械手的技能和特性根据力学观点，物体在三维空间的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定的。因此，抓握物体的位置和方向（即关节间的角度）能从理论上求得。据资料介绍，如果采用的机械手，其机能要接近人的上肢，则需要具有27个自由度，而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”。这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”。就目前的技术状况而言，上述功能还很难办到。而且把机械手的功能搞得那么复杂，动作彼此严重重叠也是完全不必要的。退一步，如果机械手要求具有完全通用的程度，那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动，总共就要
39、有24个自由度。这在实际上也是不必要的，这样会使机械手结构复杂，费用增多。因此，不应盲目模仿人手的动作，增加过渡的自由度，而应根据实际需要的动作，设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作。所以一般专用的机械手（不包括握紧动作）通常具有二到三个自由度。而通用机械手一般取四到五个自由度。本设计中设计的机械手，它共有五个自由度。即：手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓握。 2 躯干和传动系统机械手的传动分为液压、气压、电气和机械四种，本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪则采用气压传动。 (1) 夹紧机构机械手手爪使用来抓取工件的部件。手爪抓取工件是要满足迅速、灵活、
40、准确和可靠的要求。设计制造夹紧机构手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其加紧力的大小则根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损坏被夹的物体，夹紧力应限制一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电被抓物体落下，还可以有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和动作可靠。 夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。本设计采用机械式的夹紧机
41、构。 机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。本设计采用二指式气动手爪。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位，一般可设置在180度。(2) 躯干 躯干由底盘和手臂两大部分组成。 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器
42、检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。 手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成伸缩、升降的运动。手臂采用气动电磁阀带动丝杠、螺母来实现伸缩和升降运动。由可编程控制器发出脉冲信号，带动滚珠丝杠旋转，完成手臂的运动。改变发出脉冲的个数，可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杠、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。3.2电气元件、设备的选择1、输入/输出的点数：I/O点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号
43、和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%-20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模式块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。(1) 输入设备-用以生产输入控制信号。本设计中应包括：操作方式转换开关：该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。手动时运动选择开关：该开关应有上/下，左/右，夹紧/放松等三个位置可供选择。起动、停止及复位按钮。开
44、关及按钮在操作屏上的布置所示。位置检测元件：机械手的运动是按行进程原则进行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。无工件检测元件：右工作台上无工件用光电开关来检测。(2) 输出设备由PLC的输出信号驱动的执行元件。本设计中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀。为了对机械手处于原点进行指示，还可以配置一个原点的指示灯。各输出设备的配置如图3.3所示。根据所确定的用户输入设备及输出设备，可画出PLC的I/O连接图，由图可见，PLC共需要19点输入，6点输出。此外，还应考虑用户储存器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选
45、择等。本设备控制的对象是一个开关量控制的系统，同时利用脉冲控制步进店动机的运转，故应采用晶体管形式的输出。S7-200系列具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足本对象各项控制性能要求，因此，本系统采用S7-200系列CPU224作为基本模块，能输出两路脉冲信号进行步进电动机的控制。由于输入输出点不够，扩展一个FPOEM221模块。由机械手执行机构可知1）输入为19关量信号。由限位开关，按纽，光电开关组成。2）输出为6个开关量信号。右24V电液控制，液压驱动线圈和指示灯组成。2、PLC机型的选择根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行PLC型号的选定。PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的
