機械手編程-畢業(yè)設計

1、目錄引言1）緒論.3設計的目的和意義3設計項目發(fā)展情況.3設計原理42）各電器設備的控制方式及控制要求.4系統(tǒng)的作用和特性.4傳感技術和傳動系統(tǒng)53）電器元件及設備的選擇.6PLC機型的選擇.7電源模塊94）控制流程.95）控制系統(tǒng)的軟和硬件設計.10控制系統(tǒng)的硬件設計 10控制系統(tǒng)的軟件設計.14設計小結 18參考資料.20附：1 程序清單及注釋.2 電氣原理圖.引言工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)

2、境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變支（0的（多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。本文設計的是基于S7200 PLC的多機械手控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)動作簡便、能夠實現(xiàn)三個自由度方向(水平、垂直和旋轉的抓取或放置物品，具有操作范圍大，靈活性好，線路設計合理，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，提高了工作效率。一緒論1.1本課題設計的目的和意義隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，微電子技術、計算機技術和自動控制技術也得

3、到了迅速發(fā)展。機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS,實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。氣邏輯控制也由PLC代替原來的繼電器控制。繼電器組成的控制系統(tǒng)是最早的一種實現(xiàn)機械

4、手控制的方法。但是，進入九十年代，隨著科學技術的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，人們對機械手的安全性、可靠性、準確性的要求是越來越高，繼電器的弱點就越明顯。可編程序控制器(PLC因為穩(wěn)定可靠、結構簡單、成本低廉、簡單易學、功能強大和使用方便已經(jīng)成為應用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。機械手控制要求接入設備使用簡便，對應于系統(tǒng)組態(tài)的編程簡單，具有人性化的人機界面，配備應用程序庫，加快編程和調試速度。通過PLC對程序設計，提高了機械手的控制水平，并改善了機械手運行的靈活性。因此PLC在機械手控制系統(tǒng)中的應用非常廣泛，非常有實際價值。1.2設計項目發(fā)展情況近年來，國內

5、在PLC技術與產(chǎn)品來發(fā)應用方面發(fā)展很快，除有許多從國外引進的設備、自動化生產(chǎn)線外，國產(chǎn)的機床設備已越來越多地采用PLC控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)。與繼電接觸器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠；占位空間更??；價格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當?shù)膱?zhí)行機構；能向中央執(zhí)行機構，中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。本課題在對一種執(zhí)行機構由電動機和液壓缸組成的工業(yè)機械手的結構進行分析飛基礎上，將PLC應用于其控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。根據(jù)該機械手的工作特點，采用步進順序控制方式，使程序簡化，便于調試。將PC與PLC組成分布

6、式控制系統(tǒng)，進行聯(lián)網(wǎng)通信，工作人員可在上位機上編程、監(jiān)控設備運行情況，實時的對現(xiàn)場參數(shù)進行修改、調整，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。1.3 設計原理PLC控制機械手是可編程控制器相關課程中的內容之一，它對可編程控制器的原理及控制應用的理解具有非常重要的意義。該機械手選用德國西門子S7-200 CPU 226控制器，采用氣源做驅動的，設計相應的控制回路，電器元件的控制采用PLC控制，以實現(xiàn)自動控制方式，能夠實現(xiàn)三個自由度方向(水平、垂直和旋轉的抓取或放置物品，成本相對較低，使用效果良好。二 各電器設備的控制方式及控制要求2.1系統(tǒng)的作用和特性機械手工作過程如下:每次循環(huán)動作均從原位開始。開始運行后，如果

7、機械手不在初始位置上，步進電機開始運轉（橫軸向手抓方向移動，豎軸向上移動）。歸位后首先橫軸步進電機工作，橫軸前伸；前伸到位后，手抓電動機得電，帶動手抓旋轉；當傳感器檢測到限位開關時，電動機停止，PLC控制電磁閥動作，手張開；延時一段時間，豎軸步進電機工作，豎軸下降；下降到位后，電磁閥復位，手爪夾緊；延時過后，豎軸上升，同時橫軸縮回、底盤電機帶動底盤旋轉；當橫軸、豎軸、底盤都到位后，橫軸前伸；到位后手爪旋轉，然后豎軸下降，電磁閥動作，手爪張開；延時后豎軸上升復位，然后開始下一周期動作。2.2傳感技術和傳動系統(tǒng)2.2.1 傳感器的選型選擇上海普邦傳感器有限公司生產(chǎn)的B系列的光電開關（對射式）對射式

8、，的光電傳感器，如圖1:實物圖 尺寸圖圖1具體說明如表格1感應方式對射式檢測距離（mm）15m標準探測物R15mm以上的不透明物體響應時間3ms工作電壓（v）DC12.24V允許波動10%以下消耗電流（m A）20m A負載電流（m A）200m A工作溫度（°C）10.+55輸出類型NPN、PNP集電極開路輸出表1對射式光電開關安裝原理圖22.2.2傳動系統(tǒng)本設計主要是以電機作為動力，用氣動裝置作為驅動元件，來完成工件的加緊、松開，手臂的上升、下降，以及電機帶動機械手的旋轉過程。三 電器元件、設備的選擇3.1步進電機的選擇選用42系列兩相混合式步進電機型號42HS02基本參數(shù)如下表

9、2：Model No.相數(shù)步距角保持轉矩額定電流相電感相電阻引線數(shù)量轉子慣量定位轉矩電機重量機身長軸端長(°N.MAmHOhmg.cm2g.cmKgmmmm42HS0221.80.220.42112.54571500.244021表2步進電機型號42HS02原理接線圖，如圖33圖步進電機型號42HS02實物圖，如圖4：圖43.2 PLC機型的選擇首先，PLC的選擇PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力、廠家的選擇等方面加以綜合考慮。PLC機型的選擇PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格

10、比。選擇時主要考慮以下幾點： (一  合理的結構型式PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。整體式PLC的每一個IO點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能擴展靈活方便,在IO點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、IO模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。(二 安裝方式的選擇   PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程IO式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式不需要設置驅動遠程IO硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程IO式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程

11、IO可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程IO電源；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型PLC，但必須要附加通訊模塊。 (三 相應的功能要求一般小型(低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。 (四 響應速度要求  PLC是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次PLC的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮PLC的響應速度，可選用具有高速IO處理功能的PLC，或選用具有快速響應模塊和中斷

12、輸入模塊的PLC等。終上所述，結合本課題的實際情況。由于機械手系統(tǒng)的輸入/輸出接點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機對PLC進行監(jiān)控和管理，故選用西門子s7-200 CPU226DC/DC/DC的PLC.3.2電源模塊本系統(tǒng)需要的用電設備有：PLC、繼電器、步進電機、光電傳感器等設備。通過初步計算：得出以下的結果：工作壓力0.8Mbar 最大輸出流量300L/min電機功率 10KW 電機轉速 500轉/min負載能力 115kg機械手控制系統(tǒng)的電源模塊接線圖，如圖5圖5四 控制流程本機械手用于生產(chǎn)線上工件的自動搬運，其結構如上圖所示。由1、2兩個氣缸缸完成工件的加緊和提升的動

13、作。1號氣缸通過一個單線圈的二位電磁閥控制工件的夾緊、放松，2號氣缸通過一個雙線圈的二位電磁閥控制工件的上升、下降，由底盤電動機帶動底盤旋轉。當工件在傳送帶A上運行時，并且到傳送帶A的端部的時候，光電開關檢測到有物體存在的時候，傳送帶A停止,2氣缸活塞縮回，帶動豎軸下降，下降到行程開關SQ3，1氣缸的驅使手爪夾緊工件，延時2秒后。 2氣缸活塞伸出，帶動豎軸上升，3氣缸活塞縮回，帶動橫軸縮回，同時底盤電動機帶動底盤旋轉。當?shù)妆P步進電機旋轉180°后，其到達B傳送帶的上方時，3氣缸活塞伸出，帶動橫軸前伸，同時2氣缸活塞縮回，帶動豎軸下降，下降到行程開關SQ3，1氣缸的驅使手爪放松工件，延

14、時2秒 后。2氣缸活塞伸出，帶動豎軸上升，3氣缸活塞縮回，帶動橫軸縮回，同時底盤電動機帶動底盤旋轉。當?shù)妆P步進電機旋轉180°后，其到達A傳送帶的上方時 一次的搬運過程就完成。即循環(huán)動作簡圖，如圖6，及機械手的工作結構示意圖，如圖7圖6 圖7五 控制系統(tǒng)的軟、硬件設計5.1控制系統(tǒng)的硬件設計 5.1.1功能按鈕概述 機械手的全部動作由氣缸驅動,而氣缸又由相應的電磁閥控制。其中,上升/ 下降、左移/ 右移分別由兩位電磁閥控制，夾緊由單位電磁閥控制，放松就由彈簧控制。當下降電磁閥通電時,機械手下降;當下降電磁閥斷電時,機械手下降停止。當上升電磁閥通電時,機械手上升;當上升電磁閥斷電時,機

15、械手上升停止。同樣,左移/ 右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。同樣，機械手放松和抓緊分別由放松電磁閥和抓緊電磁閥控制。為確保機械手的安全，必須在夾緊時延時2S鐘，保證機械手能順利抓緊物品和在放松時延時2S鐘，保證機械手能順利把物品放下。機械手的動作過程如圖2 所示: (1 從原點開始下降; (2 吸引工件,延時2 秒; (3 上升; (4 右移; (5 下降; (6 放下工件,延時2 秒; (7 上升; (8左移,返回原點，電路控制通過PLC實現(xiàn)。系統(tǒng)輸入信號有1個啟動按鈕，4個限位開關，1個工件檢測信號，及一個停止，一個下降、夾緊、上升、縮回、伸出、放松共13個數(shù)字輸入信號，輸出信號有機

16、械手上升/下降驅動信號、左移/右移驅動信號和機械手夾緊/放松驅動信號，共有6個數(shù)字輸出信號。機械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表如下表3：名稱代號輸入名稱代號輸出啟動SB1I0.0下降CY1Q0.0下限行程ST3I0.1夾緊CY2Q0.1上限行程ST4I0.2上升CY3Q0.2縮回行程ST2I0.3縮回CY4Q0.3伸出行程ST1I0.4伸出CY5Q0.4工件檢測SQ5I0.5放松CY6Q0.5停止SB2I0.6下降SB3I1.3夾緊SB4I1.7上升SB5I1.4縮回SB6 I1.5伸出SB7I1.6放松SB8I2.0.表35.1.2輸入和輸出點原理接線圖機械手控制系統(tǒng)接線圖如圖8西門子s7-2

17、00 CPU226DC/DC/DC 圖85.1.3氣動機械手裝置設計氣動機械手裝置如圖五所示，主要由機械手抓緊放松夾緊裝置、上下氣動移行裝置、底座及各電氣、氣動元件和傳感器等組成。工作過程如下,從圖五 所示的原始位置開始,升降氣缸1向下移動氣動夾緊機構3 并夾緊A 處之物料塊,然后向上移動。到位后,氣動夾緊機構連同升降氣缸向右移動,升降氣缸2 向下移動氣動,最后夾緊機構3 放松即將物料塊放到B處,然后沿相反方向使機械手處于原始位置。為下一個工作周期準備,以實現(xiàn)循環(huán)。此裝置能夠實現(xiàn)物料在一個平面內的搬運。上下移動氣缸2 行程為710mm ,為了防止工件偏移,上下移動氣缸2 的缸體上各安裝了兩個磁

18、性開關用于上下極限位置的檢測;在傳送帶A這邊安裝了光電感應開關用于有無工件(物料塊 檢測。1） 氣源壓縮機的設計原理，氣源裝置的組成和布置示意圖，如圖9| 圖9  1.空壓機2.冷卻器3.油水分離器4.儲氣罐5.干燥器6.過濾器7.儲氣罐8.加熱器9.四通閥    氣源裝置一般由四部分組成，即空氣壓縮機；壓縮空氣的凈化、貯存裝置；管道系統(tǒng)和氣動三大件。    在 圖六中，空氣壓縮機1是用來產(chǎn)生壓縮空氣的。空氣壓縮機 的吸氣口裝有過濾器，可以減少進入空氣壓縮機內的氣體的灰塵。后冷卻器2用來冷卻空氣壓縮機排出

19、的高溫氣體，使汽化的水和油凝結出來。油、水分離器3用來分離并排出凝結出來的水滴、油滴和雜質等。貯氣罐4和7用來貯存壓縮空氣，穩(wěn)定壓縮空氣的壓力，同時使壓縮空氣中的部分油分和水分沉積在貯氣罐底部以便除去。干燥器5用來進一步吸收壓縮空氣中油分和水分，使之成為干燥空氣。過濾器6用來進一步過濾壓縮空氣中的灰塵、雜質和顆粒。氣動傳動裝置由原動機驅動空氣壓縮機通過管道的輸送氣來控制2）左右轉動驅動裝置的選擇 底座驅動動力源選擇2-E系列三相異步電動機2-E系列電動機是在Y2系列電機基礎上派生設計的高效節(jié)能電動機，整個系列的電機效率高于普通Y2系列電機效率，其外形美觀，高效、節(jié)能，絕緣等級為F級，防護等級為

20、IP54或IP55，電機噪聲和振動小、運行可靠。在異步電動機的定子鐵心里，嵌放著對稱的三相繞組AX、BY、CZ。 工作原理：異步電動機三相對稱定子繞組中通入三相交流電產(chǎn)生旋轉磁場，轉子導體切割定子旋轉磁場而產(chǎn)生感應電動勢及感應電流，轉子載流導體在定子旋轉磁場中受電磁力作用，形成電磁轉矩，拖動轉子沿旋轉磁場方向轉動起來，從而實現(xiàn)了電能與機械能的轉換。當向三項定子繞組中通過入對稱的三項交流電時，就產(chǎn)生了一個以同步轉速n1沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉的旋轉磁場。由于旋轉磁場以n1轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，故轉子導體將切割定子旋轉磁場而產(chǎn)生感應電動勢（感應電動勢的方向用右手定則判定）。

21、由于導子導體兩端被短路環(huán)短接，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產(chǎn)生與感應電動勢方向基本一致的感生電流。轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。電磁力對轉子軸產(chǎn)生電磁轉矩，驅動轉子 沿著旋轉磁場方向旋轉。 通過PLC控制交流接觸器，改變三相異步電動機的運動方向，從而實現(xiàn)機械手的左右轉。5.2 控制系統(tǒng)的軟件設計5.2.1 控制程序設計該機械手控制程序較復雜，運用模塊化設計思想，采用“化整為零”的方法，將機械手控制程分為：公用程序、手動程序和自動程序，分別編出這些程序段后，再“積零為整”，用條件跳轉指令進行選擇，該控制程序運行效率高，可讀性好。1 手動程序手動程序分

22、為點動控制和單步控制兩部分，手動操作不需要按工序順序動作，按普通繼電器程序來設計。手動操作的梯形圖如圖所示。手動按鈕10.7、11.312.1分別控制下降、上升、右移、左移、夾緊、放松和回原點各個動作。為了保證系統(tǒng)的安全運行設置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的梯形圖中加入了I0.2作為上限連鎖，因為機械手只有處于上限位置時，才允許左右移動，由于夾緊、放松、動作是用二位五通電磁換向閥的CY3-1電磁線圈控制，故在梯形圖中用“置位”、“復位”指令，使之有保持功能。以下是手動操作程序梯形圖，如圖10：圖102 自動程序由于自動操作的動作較復雜，采用順序功能圖設計法設計程序，用以表明動作的順序和轉

23、換條件，矩形框表示“工步”,相鄰兩工步用線段連接，表明轉換的方向。橫線表示轉換的條件。若轉換條件得到滿足則程序從上一工步轉到下一工步。根據(jù)順序功能圖可以方便的轉換為梯形圖程序，其順序功能圖如圖11所示：圖11設計小結系統(tǒng)總結：可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高性能性，在機械手控制系統(tǒng)的設計中起到了十分重要的作用，但是在PLC控制的過程中，還有許多問題需要解決，本文就機械手自動控制系統(tǒng)的過程中的硬件的選擇與設計以及軟件的編程中的幾項關鍵問題提出了自己的一些看法，經(jīng)實踐證明，可以有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對PLC讀、寫，事件響應等通信時間可進行精確控制，取到了良好的效果。在系統(tǒng)設計過程中，我遇到了很多設計方面的問題。為了弄懂相關的知識，掌握相關技術，我查閱了大量書籍，并積極利用互聯(lián)網(wǎng)豐富的資源找取答案，從中收獲了很多。從這次設計中我有了很深的體會，任何事情都不是一蹴而就的，都是要付出很艱辛的努力。個人小結通過畢業(yè)設計，我又學到了