1、I机械手控制系统设计摘 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。本次设计根据课题的控制要求,确定了搬运机械手的控制方案,设计控制系统的电气原理图，对控制系统进行硬件和软件选型,完成 PLC（可编程控制器）用户程序的设计。设计中使用了德国西门子公司生产的 S7-200 系列的 CPU 226。该系列PLC 具有功能强大，编程方便，故障率低，性价比高等多种优点。机械手的开关量信号直接输入 PLC，使用 CPU 226 来完成全部的控制功能，包括：手动/自动控制切换，循环
2、次数设定，状态指示，手动完全操控等功能。机械手完成下降、伸出、加紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。通过本次毕业设计，对 PLC 控制系统的设计建立基本的思想：能提出自己的应用心得；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练分析问题和解决问题的能力，进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。关键词：机械手；PLC（可编程控制器） ；CP
3、U；梯形图IIThe Design of Manipulator Control SystemABSTRACTIn industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial the
4、ir lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved.The design requirements under the control of the subject to determine the handling robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control system hardware and software selecti
5、on, complete the design of the user program in the PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200 series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate, and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete a
6、ll the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient.The graduation project, the design of PL
7、C control system to establish the basic idea: to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the former continued the basic theory and professional knowledge, further training and training to analyze and solve problems the ability to further improve their design, dra
8、fting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate, and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training.Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagramIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 机械手的背景与现实意义 .11.2 国内外机械手研究概况 .11.3 机械手控制存在的问题及最新发展 .31.3.1 利用单
9、片机实现对机械手的控制 .31.3.2 利用传统继电器实现对机械手的控制 .31.3.3 PLC 实现对机械手的控制 .31.4 本文主要工作 .5第 2 章 机械手控制系统工艺流程与总体方案设计 .62.1 机械手控制系统的流程设计 .62.2 机械手的工艺过程 .62.3 机械手总体控制方案的设计思路 .7第 3 章 机械手硬件系统设计 .93.1 电气原理设计 .93.1.1 机械手电源电路设计 .93.1.2 机械手控制电路 .93.1.3 工作状态指示灯电路 .113.1.4 LED 段码指示电路 .113.2 PLC 的选型及参数 .123.3 电器元器件的选型 .133.3.1
10、接触器 .133.3.2 行程开关 .143.3.3 熔断器 .143.3.4 低压断路器 .143.3.5 控制按钮 .143.3.6 直流减速电机 .14第 4 章 机械手软件系统设计 .15IV4.1 设计任务和控制要求 .154.2 高级指令说明 .154.2.1 定时器指令 .154.2.2 顺控继电器(SCR)指令 .174.2.3 传送指令 .174.2.4 计数器指令 .184.2.5 标准转换指令 .204.2.6 段码指令 .204.3 PLC 的 I/O 接口功能设计与分配 .204.3.1 PCL 的 I/O 接口功能设计 .204.3.2 I/O 接线图 .234.4
11、 设计系统工作流程 .24第 5 章 机械手控制系统调试 .255.1 西门子 S7-200 系列 PLC 编程软件 .255.2 程序说明 .265.3 故障及其解决方案 .31第 6 章 总结 .33参考文献 .34谢辞 .35附录 程序清单 .3611 绪论1.1 机械手的背景与现实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。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
12、。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、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，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，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 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，如用果实采摘机械手来摘果实、装配生产
13、线上应用智能机器人等。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。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，2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
14、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 2。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
15、。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
16、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。例如珠江三角洲地区，塑胶工业十分发达，在国内居龙头地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，3如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得客”w255 系列注射机专用机械手,等等。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，主要包括以下几方面：*机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。*在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板。*可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作
17、，以代替人的劳动。 *可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。1.3 机械手控制存在的问题及最新发展1.3.1 利用单片机实现对机械手的控制由单片机设计的系统都有一个共性就是抗干扰性差,因为机械手一般都用在干扰源比较多、情况比较复杂的工业现场,所以由单片机设计的系统很难保证长期稳定的工作。所以不宜选用此方案。1.3.2 利用传统继电器实现对机械手的控制此控制系统可利用四个传统继电器作为限位开关，并加上辅助电路以实现机械手的功能。但是由于传统继电器触点接触不良容易出现故障，并且接线复杂抗干扰能力差，难以实现模块化和智能化，性价比较低。所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，显然此控制
18、系统不能选用此方案。1.3.3 PLC 实现对机械手的控制可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（ Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC3。4PLC 的主要特点：1）高可靠性（1）所有的 I/O 接
19、口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2）丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等
20、。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接 4。3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4）编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5）安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工
21、业环境下直接5运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行 5。 此控制系统利用 PLC 就可以非常容易的实现。基于 PLC 的优点，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。综上所述，机械手的控制方式选择 PLC。系统输入信号有 1 个启动按钮，1 个
22、停止按钮，1 个急停按钮，1 个手动送数开关，6 个限位开关，8 个手动输入信号，共计 18 个数字量输入信号；输出信号有机械手上升/下降驱动信号左旋/右旋驱动信号、机械手伸出/缩回驱动信号、机械手夹紧/放松信号和七段 LED 显示器信号共有 15 个数字量输出信号。不需模拟量模块，选择西门子 S7 系列的 CPU 226 就可以满足要求，而且还有一定的裕量。所以选用 PLC 实现对机械手的控制为最佳方案，本次设计就选用此方案进行设计。1.4 本文主要工作本文主要工作是应用 PLC（可编程控制器）实际设计一个搬运机械手，能实现搬运机械手的基本功能。工作内容：（1）阐述机械手在工业应用中的作用和
23、意义。（2）设计机械手的工艺流程。（3）机械手的硬件设计,包括 PLC 型号的选定，PLC 的电气连线图,I/O 分配表等。（4）机械手的软件设计原理，包括流程图，程序清单。（5）最后是系统调试和参考文献的列举。62 机械手控制系统工艺流程与总体方案设计电气控制系统是根据指令准确实现生产流程的重要核心，能够保证搬运机械手准确快速的完成工作。本次课题的目的就是根据工艺流程来硬件设计和软件编程，以满足搬运生产的需要，对搬运机械手尤为重要。2.1 机械手控制系统的流程设计搬运机械手作为一种自动化设施，电气系统应完成预设的动作，实现货物的准确搬运。本课题中的搬运机械手控制系统应具有如下功能：控制系统能
24、够根据 PLC 输入的指令，准确灵活的控制搬运机械手，完成搬运任务；控制系统具有状态显示功能，当设备运行时，各部件的运行状态用绿色指示灯表示；当设备完成指定动作处于停止状态时，各部件的运行状态用红色指示灯表示，按下停止按钮和启动按钮后完成指示灯状态进行切换；控制系统能够保证搬运机械手针对不同生产任务的要求，能够准确完成货物的搬运，保证快速性和准确性兼顾；按下急停按钮，能够立即停止工作，保证了生产的安全性。搬运机械手通过程序的改变，能自由的改变控制方法，实现柔性的生产控制。2.2 机械手的工艺过程机械手的工艺过程机械手的结构和各部分动作示意图，如图 2.1 所示。机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。分析工艺过程机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降伸出加紧工件上升右旋再下降放松工件缩回放松左旋十个动作，完成一个工作周期。运动过程如图 2.2 所示。机械手的下降、上升、右旋、左旋、伸出、缩回
