基于PLC控制机械手设计[1]

内容摘要系统的自动控制部分主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要是由步进电机、传感器、继电器等硬件来完成本单元的动作。软件部分主要运用了CAD、PLC和组态王等软件工具。在这次设计中利用PLC编程来完成机械手单元整个动作。其中对单元操作进行了分步：如，绘制硬件连线、整个单元的流程图、用CAD软件绘制平面图、用组态王来描述机械手动作的整个过程。本单元只是现场总线的其中一部分，但是它完全体现出了现场总线的优点。第一章是概述，第二章是在这次设计中所用到的工具软件，第四、五章就是本次设计的重点。通过这次设计，让我更深入的了解了自己所学专业。由于时间仓促、水平有限，其中有许多不足之处在所难免，敬请老师批评指正，给予多多指导。关键词：可编程控制器PLC; 机械手; 工作原理目 录第一章 绪 论 21.1 研究意义现状分析及其意义 21.2 机械手的发展趋势.优点及其应用3第二章 系统设计中的应用软件62.1 PLC软件62.2 CAD软件72.3 组态王软件7第三章硬件部分10第四章 软件部分16第五章 组态部分18第六章 结 论 22致 谢23参考文献 24第一章 绪 论可编程序控制器(PLC)已在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用。它是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点;气动技术也是实现工业自动化的重要手段,并且已广泛地应用于各工业部门,在机械产品自动化、工业自动化及企业技术改造方面占有重要的地位。气压传动的介质来自于空气,环境污染小,工程容易实现。机械手在工业自动化生产中得到了很好的利用,它可减少人的重复操作,并且它还可以完成人无法完成的操作,从而大大地提高工业生产效率。人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售110万台，这是1999年的统计，但这110万台在已经进行装备使用的是75万台，这个量也是不小的。总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本，中国刚开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，而有小批量在生产中使用，这也是整个在日本、美国以及我们国家在工业机器人情况的一些比较。1.1 研究意义现状分析及其意义工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。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。我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家 ,其中从事工业机器人研究和应用的有75家 ,共开发生产各类工业机器人约800台 ,90%以上用于生产中 ,引进工业机器人做应用工程的约500台。计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。在经济全球化的浪潮中，降低人力成本，提高生产率，缩短订单处理时间等已成为生产企业的不断追求。为了达到这一目标，它们越来越依赖于新一代的硬件和软件系统。近年来，由于个人计算机（简称PC）的高速率和对硬件与软件的几乎无限制的开放，使得PC的应用迅猛增长。将PC机CPU的高速处理性能和良好的开放性引入到计算机控制领域，形成了基于PC的控制系统。随着计算机控制技术在机械手应用中的不断深入，具有独立控制器、程序可变、动作灵活、定位精度高、适用于可变换品种中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展。各国大企业工业机械化生产过程不同程度实现了工业机械手的计算机控制。1.2 机械手的发展趋势、优点及其应用工业机械手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。它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操纵的机械手（如平衡吊），以及一些就近按钮控制或遥控的非全自动的单循环的机械手等。机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单、紧凑、容易操作、安全可靠、安装维修方便、经济性好。机械手在工业生产中的应用，几乎遍及各行各业。归纳起来，大致有如下几个方面： 1合单机实现自动化 生产上出现的许多高效专用加工设备（如各种专用机床等），如果工件的装卸等辅助作业，继续由人工操作，不仅会增加工人劳动强度，同时亦不能充分发挥专用设备的效能，必然会影响劳动生产率的提高。若采用机械手代替人工上、下料，则可改变上述不相适应的情况，实现单机自动化生产，并为实现多机床看管提供了条件。如：自动机床及其上下料机械手、冲压机械手、注塑机及其取料机械手等。 2组成自动生产线 在单机自动化的基础上，若采用机械手自动装卸和输送工件，可使一些单机连接成自动生产线。目前在轴类和盘类工件的生产线上，采用机械手来实现自动化生产尤为广泛。如：轴类加工自动生产线及其上下料机械手、盘类加工自动生产线及其机械手、齿轮加工机床的上下料机械手等。 3高温作业自动化 在高温环境下作业（如热处理、铸造和锻造等），工人的劳动强度大，劳动条件差，采用机械手操作，更具有现实意义。如汽车钢板弹簧淬火机械手、压铸机用浇铸机械手等。 4操作工具 用机械手握持工具，在高温、粉尘及有害气体环境下进行自动化操作，可以使人脱离恶劣的劳动条件，并减轻劳动强度，提高劳动生产率和保证产品质量。如汽车车身等薄钢板的点焊工艺、自动喷漆或自动喷丸清砂工作等。 5进行特殊作业 在现代科学技术中，原子能的应用，海底资源的开发，星际探索等等都已为人们所熟悉。但放射性辐射，或海底、宇宙等环境，常常是人体不能直接接触或难以接近的，采用遥控机械手代替人们进行这种作业，既能完成这些特殊作业，又能长时间地安全地进行工作，成为人类向新的自然领域进军的一种有效手段。 实践证明：工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。总之，工业机械手的应用在工业生产中是多方面的，为了使机械手能发挥它的更多的作用，还应注意发展其他的辅助设备与之配合。 第二章 系统设计中的应用软件2.1 PLC软件2.1.1 PLC的结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，plc也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有跟适合于控制要求的编程器，具有个适合与工业环境的抗干扰性能。因此，plc市一中工业控制用的专用计算机，它的实际组成于一般微型计算机系统基本相同，也是硬件系统和软件系统两大部分组成。图2.1 plc结构示意图2.1.2 PLC的工作原理PLC与继电器构成的控制装置的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作，只要形成电流通路，就有可能有几个电器同时动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作，而且每次它只能执行一条指令，这也就是说PLC以“串行”方式工作的，这种工作方式可以避免继电器控制的触点竞争和时序失配等问题。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。 2.2 CAD软件CAD（计算机辅助设计）技术是随着计算机及其外围设备，计算机软件的迅速发展而形成的一门新兴技术，是电子信息技术与产业工程技术的结晶。CAD技术及其应用程度已成为衡量一个国家科技现代化和现代制造业水平的重要标志。随着微型计算机技术的迅速发展，CAD系统已开始从小型计算机向微型计算机转化，从而使CAD技术能在企业中被广泛采用，并产生了巨大的经济效益。在机电、建筑、艺术设计等行业，AutoCAD软件在全球各种CAD软件中独占鳌头。它具有易于掌握、使用方便、体系结构开放的特点。根据当今计算机硬件及软件的发展状况，预计CAD技术今后将在以下几个方面进行重点研究，并有望取得进展：CAD系统的智能化；CAD系统的集成化；CAD系统的标准化；CAD系统的可视化（包括虚拟设计）；网络化的CAD系统。CAD技术的首要任务是为产品设计和生产对象提供方便、高效的数字化表示和表现（Digital Representation and Presentation）的工具。数字化表示是指用数字形式为计算机所创建的设计对象生成内部描述，象二维图、三维线框、曲面、实体和特征模型；而数字化表现是指在计算机屏幕上生成真实感图形、创建虚拟现实环境进行漫游、多通道人机交互、多媒体技术等。CAD的概念不仅仅是体现在辅助制图（图形实现）方面,它更主要地起到了设计助手的作用，帮助广大工程技术人员从繁杂的查手册、计算中解脱出来。极大地提高了设计效率和准确性，从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本，增强行业竞争能力。2.3 组态王软件组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用9。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计(2)构造数据库(3)建立动画连接(4)运行和调试2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:(1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。第三章硬件部分31可编程程序控制器的硬件系统（1）微处理器单元中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路，微处理器是plc的运算控制中心，有他实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行式按照系统程序所赋予的任务进行的。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。（2）存储器根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为：系统程序存储器：用来存放系统程序的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。（3）输入/输出（I/O）单元输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。（4）电源部分电源单元数plc的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源变成系统内部个单元所需的电源，有的电源单元还想提供直流电源，给与开关量输入单元连接的现场但愿开关使用。电源还包括掉电保护电路和后被电池。以保持ram在外部电源后存储的内容不丢失，PLC的电源议案赛用开关电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高。抗干扰型好。断电不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。（5）通信端口PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。（6）编程器几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。（7）特殊功能单元主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/0模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。警灯直流减速电机图3.1机械手的主视图双作用气缸双作用气缸双作用气缸图3.2机械手的侧视图表3.1 机械手工作所用电机及传感器序号名 称型 号数量厂商1直流减速电机70ZYNJ 55r/min3国产2继电器MY2N-DC24V6欧姆龙3双作用气缸19203 DSNU-16-100-PA1费斯托4单向截流阀197578 GRLA-M5-QS-6-D2费斯托5舌簧开关164595 SMEO-4-K-LED-24-B2费斯托6行程开关安装附件19275 SMBR-162费斯托7截止阀162807 HE-1/4-D-MINI1费斯托8单电控电磁阀173127 MEH-5/2-1/8-B1费斯托91型螺纹接头153002 QS-1/8-63费斯托101型螺纹接头153005 QS-1/4-81费斯托111型螺纹接头153003 QS-1/4-61费斯托12消音器2307 U-1/82费斯托13警灯TH-DC24V 1国产14微动开关12国产直流减速电机作用：其作用就是在保证精密传动的前提下，主要被用来降低转速增大扭矩和降低负载/电机的转动惯量比。继电器作用：用小电流或低电压或小功率控制大电流或高电压或大功率的设备。双作用气缸作用：可以在活塞的两个面上施力以控制其主动运动可以双向作用的气缸叫双作用的。单向截流阀作用：当截流阀关闭、气源截流的同时，气动系统中的气压次压侧压力将通过截流阀的排气孔排空，方便系统的调试与维修。截止阀作用：截止阀只适用于全开和全关，不允许作调节和节流。截止阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。单电控电磁阀作用：单电控电磁阀，线圈通电气缸打开,线圈释电后气缸关闭。微动开关作用：微动开关是一种施压促动的快速开关，又叫灵敏开关。其工作原理是外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作簧片上，并将能量积聚到临界点后，产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。降臂检测 后退电机1 抬臂检测 前进电机1顺转检测 顺转电机1逆转检测 逆转电机1 工件检测1 降臂止动气缸复位1 抬臂止动气缸至位1 直流电池吸铁1后推限位1前进限位1 止动气缸1手动/自动按钮1 工作指示灯1启动按钮1停止按钮1急停按钮1图33电路连接图第四章 软件部分机械手电气控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表机械手工作的流程(1) 首先进行机械手的伸缩、升降、转盘和抓手的重启动和原点搜索物体(2) 机械手的伸缩臂向前，同时转盘逆时针旋转，一直分别运行到逆时针限位点(3) 机械手下降，一直到下降到下限到位(4) 抓手电磁阀启动，抓手抓紧，抓起货物A(5) 机械手的升起到上限到位(6) 机械手的转盘顺时针旋转到顺时针到位(7) 机械手下降到下降到位(8) 抓手电磁阀再次启动，抓手放松，货物A放下(9) 再次对机械手的升降进行原点搜索(10) 机械手的伸缩臂、转盘进行原点搜索，全部复位。 电源启动原点搜索手臂逆时针旋转手臂下降逆时针到位搜索到位位下降到位抓手抓紧手臂顺时针旋转手臂下降抓手转手到位顺时针到位手臂抬起到位抓手放松到位抓手放松下降到位手臂抬起复位图4.1流程图第五章 组态部分本章中主要用组态王设计了机械的简图及其工作时候的指示灯的指示情况，组态王开系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用，尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 汽缸动作结束，抓取到工件汽缸动作，抓取工件工件到位plc启动移动至抓取点上方移动至抓取点汽缸动作，放置工件移动至放置点上方移动至原点移动至放置点汽缸动作结束，放置工件图5.1动作流程图下面是机械手画面和工作指示情况的截图 图5.2 机械手 图5.3 工作情况随着Internet科技日益渗透到生产、生活的各个领域，自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与工厂自动化的关键。亚控科技一直是这个领域的开拓者，组态王的Internet版本立足于门户概念，采用最新的技术，功能更丰富，操作更简单。整个企业的自动化监控将以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成各自的操作，这包括现场的操作者可以完成设备的起停、中控室的工程师可以完成工艺参数的整定、办公室的决策者可以实时掌握生产成本、设备利用率及产量等数据。组态王的Internet功能逼真再现场画面，使您在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节得以实现，现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等均轻松浏览。当然您必须要有授权口令才能完成这些。 第六章 结 论本次毕业设计在功能上基本实现了PLC自动控制机械手动作的过程，并且能够实现机械手与PLC之间的相互通信，并能在发生技术故障的时候机械手自动停止动作。本次毕业设计过程中碰到了很多的困难，特别是设计所涉及到的一些硬件的选择，由于要考虑到不同型号的硬件在参数上有很大的区别，因此在选择硬件的时候要特别注意选择成本比较低而又能满足设计要求的硬件。经过三个多月的毕业设计，在于老师的指导下,学习 和巩固了PLC课程学习的内容，学习PLC控制程序设计的基本方法和技巧。在这次的课程设计中,我更加深刻地了解到我的不足之处,我会更加努力学好知识,为将来做准备。 参考文献1孙树朴，郑征 电力电子技术，徐州中国矿业大学出版社，2000年2刘泉海，陈因电力电子技术，重庆重庆大学出版社20043西门子PLCQ系列I0模块说明书4西门子PLCQ系列QO1H CPU说明书5可编程序控制器（PLC）教程 天津轻工职业技术学院 2006.86伺服控制器说明书7PLC应用开发技术与工程实践，人民邮电出版社，2005年8刘柏生，PLC编程实用指南，机械工业出版社，2007年9何衍庆、俞金寿编，可编程序控制器原理及应用技巧，化学工业出版社，2000年10刘志远主编，可编程控制器原理及在机械手中的应用，中国电力出版社，1999年