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1、目录引言1）绪论.3设计的目的和意义3设计项目发展情况.3设计原理42）各电器设备的控制方式及控制要求.4系统的作用和特性.4传感技术和传动系统53）电器元件及设备的选择.6PLC机型的选择.7电源模块94）控制流程.95）控制系统的软和硬件设计.10控制系统的硬件设计 10控制系统的软件设计.14设计小结 18参考资料.20附：1) 程序清单及注释.2) 电气原理图.引言工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，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各
2、种环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变支（0的（多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。本文设计的是基于S7200 PLC的多机械手控制系统，该系统动作简便、能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，线路设计合理，保证了系统运行的可靠性，提高了工作效率。一绪论1.1本课题设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制
3、技术也得到了迅速发展。机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统(CIMS),实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。气逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。 继电器组成的控制系统是最早的
4、一种实现机械手控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对机械手的安全性、可靠性、准确性的要求是越来越高，继电器的弱点就越明显。 可编程序控制器(PLC)因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。机械手控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了机械手的控制水平，并改善了机械手运行的灵活性。因此PLC在机械手控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。1.2设计项目发展
5、情况近年来，国内在PLC技术与产品来发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电接触器控制系统。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间更小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构，中央数据处理系统直接传输数据等。本课题在对一种执行机构由电动机和液压缸组成的工业机械手的结构进行分析飞基础上，将PLC应用于其控制系统，完成了系统的硬件设计和软件设计。根据该机械手的工作特点，采用步进顺序控制方式，使程序简化，便于调试。将PC
6、与PLC组成分布式控制系统，进行联网通信，工作人员可在上位机上编程、监控设备运行情况，实时的对现场参数进行修改、调整，使系统工作于最佳状态。1.3 设计原理PLC控制机械手是可编程控制器相关课程中的内容之一，它对可编程控制器的原理及控制应用的理解具有非常重要的意义。该机械手选用德国西门子S7-200 CPU 226控制器，采用气源做驱动的，设计相应的控制回路，电器元件的控制采用PLC控制，以实现自动控制方式，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，成本相对较低，使用效果良好。二 各电器设备的控制方式及控制要求2.1系统的作用和特性机械手工作过程如下:每次循环动作均从原位开始
7、。开始运行后，如果机械手不在初始位置上，步进电机开始运转（横轴向手抓方向移动，竖轴向上移动）。归位后首先横轴步进电机工作，横轴前伸；前伸到位后，手抓电动机得电，带动手抓旋转；当传感器检测到限位开关时，电动机停止，PLC控制电磁阀动作，手张开；延时一段时间，竖轴步进电机工作，竖轴下降；下降到位后，电磁阀复位，手爪夹紧；延时过后，竖轴上升，同时横轴缩回、底盘电机带动底盘旋转；当横轴、竖轴、底盘都到位后，横轴前伸；到位后手爪旋转，然后竖轴下降，电磁阀动作，手爪张开；延时后竖轴上升复位，然后开始下一周期动作。2.2传感技术和传动系统2.2.1 传感器的选型选择上海普邦传感器有限公司生产的B系列的光电开
8、关（对射式）对射式，的光电传感器，如图1: 实物图 尺寸图图1具体说明如表格1感应方式对射式检测距离（mm）15m标准探测物R15mm以上的不透明物体响应时间3ms工作电压（v）DC12.24V允许波动10%以下消耗电流（m A）20m A负载电流（m A）200m A工作温度（C）10.+55输出类型NPN、PNP集电极开路输出表1对射式光电开关安装原理图22.2.2传动系统本设计主要是以电机作为动力，用气动装置作为驱动元件，来完成工件的加紧、松开，手臂的上升、下降，以及电机带动机械手的旋转过程。三 电器元件、设备的选择3.1步进电机的选择选用42系列两相混合式步进电机型号42HS02基本参
9、数如下表2：Model No.相数步距角保持转矩额定电流相电感相电阻引线数量转子惯量定位转矩电机重量机身长轴端长()N.MAmHOhmg.cm2g.cmKgmmmm42HS0221.80.220.42112.54571500.244021表2步进电机型号42HS02原理接线图，如图33图步进电机型号42HS02实物图，如图4： 图43.2 PLC机型的选择首先，PLC的选择PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力、厂家的选择等方面加以综合考虑。 PLC机型的选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能
10、价格比。选择时主要考虑以下几点：(一) 合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。(二)安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增
11、设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。(三) 相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。(四) 响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。终上所述，结合本课题的实际情况。由于机械手系统的输入/输
12、出接点少，要求电气控制部分体积小，成本低，并能够用计算机对PLC进行监控和管理，故选用西门子s7-200 CPU226DC/DC/DC的PLC.3.2电源模块本系统需要的用电设备有：PLC、继电器、步进电机、光电传感器等设备。通过初步计算：得出以下的结果：工作压力0.8Mbar 最大输出流量300L/min电机功率 10KW 电机转速 500转/min负载能力 115kg机械手控制系统的电源模块接线图，如图5图5四 控制流程本机械手用于生产线上工件的自动搬运，其结构如上图所示。由1、2两个气缸缸完成工件的加紧和提升的动作。1号气缸通过一个单线圈的二位电磁阀控制工件的夹紧、放松，2号气缸通过一个
13、双线圈的二位电磁阀控制工件的上升、下降，由底盘电动机带动底盘旋转。当工件在传送带A上运行时，并且到传送带A的端部的时候，光电开关检测到有物体存在的时候，传送带A停止,2气缸活塞缩回，带动竖轴下降，下降到行程开关SQ3，1气缸的驱使手爪夹紧工件，延时2秒后。 2气缸活塞伸出，带动竖轴上升，3气缸活塞缩回，带动横轴缩回，同时底盘电动机带动底盘旋转。当底盘步进电机旋转180后，其到达B传送带的上方时，3气缸活塞伸出，带动横轴前伸，同时2气缸活塞缩回，带动竖轴下降，下降到行程开关SQ3，1气缸的驱使手爪放松工件，延时2秒 后。2气缸活塞伸出，带动竖轴上升，3气缸活塞缩回，带动横轴缩回，同时底盘电动机带
14、动底盘旋转。当底盘步进电机旋转180后，其到达A传送带的上方时 一次的搬运过程就完成。即循环动作简图，如图6，及机械手的工作结构示意图，如图7图6 图7 五 控制系统的软、硬件设计5.1控制系统的硬件设计 5.1.1功能按钮概述 机械手的全部动作由气缸驱动,而气缸又由相应的电磁阀控制。其中,上升/ 下降、左移/ 右移分别由两位电磁阀控制，夹紧由单位电磁阀控制，放松就由弹簧控制。当下降电磁阀通电时,机械手下降;当下降电磁阀断电时,机械手下降停止。当上升电磁阀通电时,机械手上升;当上升电磁阀断电时,机械手上升停止。同样,左移/ 右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。同样，机械手放松和抓紧分别由放松
15、电磁阀和抓紧电磁阀控制。为确保机械手的安全，必须在夹紧时延时2S钟，保证机械手能顺利抓紧物品和在放松时延时2S钟，保证机械手能顺利把物品放下。机械手的动作过程如图2 所示: (1) 从原点开始下降; (2) 吸引工件,延时2 秒; (3) 上升; (4) 右移; (5) 下降; (6) 放下工件,延时2 秒; (7) 上升; (8)左移,返回原点，电路控制通过PLC实现。系统输入信号有1个启动按钮，4个限位开关，1个工件检测信号，及一个停止，一个下降、夹紧、上升、缩回、伸出、放松共13个数字输入信号，输出信号有机械手上升/下降驱动信号、左移/右移驱动信号和机械手夹紧/放松驱动信号，共有6个数字
16、输出信号。机械手传送系统输入和输出点分配表如下表3：名称代号输入名称代号输出启动SB1I0.0下降CY1Q0.0下限行程ST3I0.1夹紧CY2Q0.1上限行程ST4I0.2上升CY3Q0.2缩回行程ST2I0.3缩回CY4Q0.3伸出行程ST1I0.4伸出CY5Q0.4工件检测SQ5I0.5放松CY6Q0.5停止SB2I0.6下降SB3I1.3夹紧SB4I1.7上升SB5I1.4缩回SB6 I1.5伸出SB7I1.6放松SB8I2.0.表35.1.2输入和输出点原理接线图机械手控制系统接线图如图8西门子s7-200 CPU226DC/DC/DC 图85.1.3气动机械手装置设计气动机械手装置
17、如图五所示，主要由机械手抓紧放松夹紧装置、上下气动移行装置、底座及各电气、气动元件和传感器等组成。工作过程如下,从图五 所示的原始位置开始,升降气缸1向下移动气动夹紧机构3 并夹紧A 处之物料块,然后向上移动。到位后,气动夹紧机构连同升降气缸向右移动,升降气缸2 向下移动气动,最后夹紧机构3 放松即将物料块放到B处,然后沿相反方向使机械手处于原始位置。为下一个工作周期准备,以实现循环。此装置能够实现物料在一个平面内的搬运。上下移动气缸2 行程为710mm ,为了防止工件偏移,上下移动气缸2 的缸体上各安装了两个磁性开关用于上下极限位置的检测;在传送带A这边安装了光电感应开关用于有无工件(物料块
18、) 检测。1） 气源压缩机的设计原理，气源装置的组成和布置示意图，如图9|图9 1.空压机2.冷却器3.油水分离器4.储气罐5.干燥器6.过滤器7.储气罐8.加热器9.四通阀 气源装置一般由四部分组成，即空气压缩机；压缩空气的净化、贮存装置；管道系统和气动三大件。在 图六中，空气压缩机1是用来产生压缩空气的。空气压缩机 的吸气口装有过滤器，可以减少进入空气压缩机内的气体的灰尘。后冷却器2用来冷却空气压缩机排出的高温气体，使汽化的水和油凝结出来。油、水分离器3用来分离并排出凝结出来的水滴、油滴和杂质等。贮气罐4和7用来贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力，同时使压缩空气中的部分油分和水分沉积在贮气罐
19、底部以便除去。干燥器5用来进一步吸收压缩空气中油分和水分，使之成为干燥空气。过滤器6用来进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质和颗粒。气动传动装置由原动机驱动空气压缩机通过管道的输送气来控制2）左右转动驱动装置的选择 底座驱动动力源选择2-E系列三相异步电动机2-E系列电动机是在Y2系列电机基础上派生设计的高效节能电动机，整个系列的电机效率高于普通Y2系列电机效率，其外形美观，高效、节能，绝缘等级为F级，防护等级为IP54或IP55，电机噪声和振动小、运行可靠。在异步电动机的定子铁心里，嵌放着对称的三相绕组AX、BY、CZ。 工作原理：异步电动机三相对称定子绕组中通入三相交流电产生旋转磁场，转子导体
20、切割定子旋转磁场而产生感应电动势及感应电流，转子载流导体在定子旋转磁场中受电磁力作用，形成电磁转矩，拖动转子沿旋转磁场方向转动起来，从而实现了电能与机械能的转换。当向三项定子绕组中通过入对称的三项交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴
21、产生电磁转矩，驱动转子 沿着旋转磁场方向旋转。 通过PLC控制交流接触器，改变三相异步电动机的运动方向，从而实现机械手的左右转。5.2 控制系统的软件设计5.2.1 控制程序设计该机械手控制程序较复杂，运用模块化设计思想，采用“化整为零”的方法，将机械手控制程分为：公用程序、手动程序和自动程序，分别编出这些程序段后，再“积零为整”，用条件跳转指令进行选择，该控制程序运行效率高，可读性好。 1) 手动程序手动程序分为点动控制和单步控制两部分，手动操作不需要按工序顺序动作，按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图如图所示。手动按钮10.7、11.312.1分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松
22、和回原点各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的连锁。其中在左、右移动的梯形图中加入了I0.2作为上限连锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动，由于夹紧、放松、动作是用二位五通电磁换向阀的CY3-1电磁线圈控制，故在梯形图中用“置位”、“复位”指令，使之有保持功能。以下是手动操作程序梯形图，如图10： 图102) 自动程序由于自动操作的动作较复杂，采用顺序功能图设计法设计程序，用以表明动作的顺序和转换条件，矩形框表示“工步”,相邻两工步用线段连接，表明转换的方向。横线表示转换的条件。若转换条件得到满足则程序从上一工步转到下一工步。根据顺序功能图可以方便的转换为梯形图程序，其顺
23、序功能图如图11所示：图11设计小结系统总结：可编程控制器PLC以其丰富的I/O接口模块、高性能性，在机械手控制系统的设计中起到了十分重要的作用，但是在PLC控制的过程中，还有许多问题需要解决，本文就机械手自动控制系统的过程中的硬件的选择与设计以及软件的编程中的几项关键问题提出了自己的一些看法，经实践证明，可以有效地提高系统的抗干扰能力，对PLC读、写，事件响应等通信时间可进行精确控制，取到了良好的效果。在系统设计过程中，我遇到了很多设计方面的问题。为了弄懂相关的知识，掌握相关技术，我查阅了大量书籍，并积极利用互联网丰富的资源找取答案，从中收获了很多。从这次设计中我有了很深的体会，任何事情都不
24、是一蹴而就的，都是要付出很艰辛的努力。个人小结通过毕业设计，我又学到了许多知识，并使我以前所学的知识得到一次综合的巩固。虽然机械手的设计过程不是很难，也没有特别繁琐的计算，但是通过对它的设计，使我映射地学到了很多其它知识，尤其是对计算机的应用和对Word的操作，更使我认识到了自学的重要性和关于自学的一些方法，这对我们即将毕业的大学生来说是很重要的。设计虽然不是很复杂，但是它系统地联系了我们三年来是所学的大部分知识，使我对许多知识进行了复习和重新认识，虽然设计过程比较困难，但它也是对我们所学书本知识在实际应用中的一次检验，锻炼了我们运用知识的能力。在设计的过程中当设计某部分时，要结合考虑到其它因
25、素的影响和限制，要把部分和整体有机地结合起来，寻找适当的设计方案和办法，让我们认识到将来无论认识什么事都要系统地、全面地认识它。通过毕业设计，让我认识到整体协作的重要性，无论到任何时候，单独的一个人都不可能去开发、设计一个较大规模的系统。只有具有团队精神、具有集体主义观、只有群策群力才能有新发展、新成就。由于能力有限，设计中肯定有许多不足之处，恳请各位老师批评指正。最后，再次对各位老师热心帮助和指导表示衷心地感谢。谢谢你们!参考资料：1 杨后川,张学民,陈勇:SIMATIC S7-200 可编程控制器原理与应用2 张忠夫.机械传动与控制,机械工业出版社,2001.3 杨后川,高昆,陈勇.某型飞机起落架收房做动筒液压测试系统PLC控制设计4 赵美宁,王佳.自动供料机械手的PLC控制系统设计5 廖常初.PLC基础及应用,机械工业出版社,2007.6 赵燕,周新建.可编程控制器原理与应用.7 中华人民共和国国家标准机械设计基础；机械工业出版社，2001. 8中华人民共和国国家标准机械设计基础课程设计指导书(第二版)；机械工业出版社，2004. 9机械传动与控制.机械工业出版社.张忠夫.2001.10中国工控网提供的电子文献
