機電一體化畢業(yè)論文PLC機械手控制設(shè)計

1畢 業(yè) 設(shè) 計論文名稱： PLC 機械手控制設(shè)計系部： 機車車輛學院專業(yè)： 機電一體化班級: 313-1姓名： 全偉指導教師：劉偉二 O 一六年 一月 2目錄第一章 PLC 機械手控制設(shè)計.31.1 摘要 . . 3 1.2 引言 .4第二章 PLC 的概述 42.1 PLC 的基本知識 .42.2 PLC 的應(yīng)用與前景 .5第三章 PLC 的編程語言 .73.1 梯形圖編程語言.73.2 功能塊圖編程語言8第四章 PLC 控制機械手的設(shè)計.94.1 機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用.94.2 各電器設(shè)備的制方式及控制要求.104.3 電器元件設(shè)備的選擇 124.4 控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計 .134.5 功能表圖設(shè)計 .26第五章 設(shè)計小結(jié) 33參考文獻 .34謝辭 .353PLC 機械手控制設(shè)計1.1 摘要： 當今的自動化技術(shù)發(fā)展迅速，正處于一個快速變革的時代。從半導體到消費類電子產(chǎn)品、再到汽車和航空制造業(yè)、以及輕工業(yè)和物流行業(yè)等多種不同的工業(yè)領(lǐng)域都面臨著日益激烈的全球競爭壓力當今的自動化技術(shù)發(fā)展迅速，正處于一個快速變革的時代。從半導體到消費類電子產(chǎn)品、再到汽車和航空制造業(yè)、以及輕工業(yè)和物流行業(yè)等多種不同的工業(yè)領(lǐng)域都面臨著日益激烈的全球競爭壓力，他們需要進一步降低成本、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并能夠迅速完成產(chǎn)品的更新?lián)Q代。采用最新的自動化技術(shù)才是解決這一系列問題的有效手段。本次論文明確了機械手的功能需求和動作流程通過查找了大量資料，了解完成了布進電機和驅(qū)動器的選型。通過對機械手制作流程的分析，確定采用 PLC 為核心的控制系統(tǒng)。在對機械手的分析設(shè)計部分梯形圖及控制程序，完成 PLC 的 I/O 點分配和硬件接線圖。關(guān)鍵詞：機械手，步進電機，可編程序控制器1引言機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代科技的一個重要組成部分。汽車業(yè)的快速發(fā)展，車外型愈求美觀流線，并由于汽車外板件要求完美無塵的沖壓生產(chǎn)線也向高速化、高品質(zhì)、自動化、柔性化方向發(fā)展。傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)過程中的手工操作、人工送料的生產(chǎn)方式已無法滿足該行業(yè)的需要。 機械手的積極作用正日益為人們所認識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達到生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到各先進單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近代幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)部門的重視。 第二章 可編程控制器的概述2.1 可編程控制器的基本知識PLC 的種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同，對 PLC 的分類，通常根據(jù)其形式的不同、功能的差異和 I/O 點數(shù)的多少等進行大致分類.根據(jù)1 PLC 的結(jié)構(gòu)形式可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類（1）整體式 PLC 整體式 PLC 是將電源、CPU 、I/O 接口等各件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC 一般采用這種整體式機構(gòu)。整體 PLC 由不同 PLC 點數(shù)的基本單元和擴展單元組成，基本單元內(nèi)有 CPU、I/O 接口，與 I/O 擴展單元相連的擴展口、以及編程器或 EPROM 寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有 I/O 和電等，沒有 CPU，基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式 PLC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展(2) 模塊式 PLC 模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如 CPU 模塊、2I/O 模塊、電源模塊（有的含在 CPU 模塊中）以及其他模塊。模塊式 PLC 由框架或基板和各種模塊組成，模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式 PLC 的特點是配置靈活、可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC 一般采用這種模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式 PLC。疊裝式PLC 其 CPU，電源， I/O 接口等也是各自獨立的模塊。但它們之間是非電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以應(yīng)地疊裝，這樣不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可以做的體積小巧。2 按功能分根據(jù) PLC 所具有的功能不同，可將 PLC 分為低，中，高檔次（1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷監(jiān)控等基本功能還可以少量模擬量輸入/輸出，算術(shù)運算，數(shù)據(jù)傳送和比較等功能，主要用于邏輯控制，順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。（2）中檔 PLC 出具有低檔 PLC 的功能外，還具有模擬量輸入/輸出，算術(shù)運算，數(shù)據(jù)傳送和比較；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，遠程 I/O，子程序，通信聯(lián)網(wǎng)等功能，有些還可增設(shè)中斷控制，PID 控制等功能，適應(yīng)于復(fù)雜控制系統(tǒng)。（3）高檔 PLC 除具有中檔 PLC 的功能外，還增加了符號算術(shù)運算，矩陣運算，位邏輯運算，平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算，制表及表格傳遞功能等。高檔 PLC具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。3 按 I/O 點數(shù)分類根據(jù) PLC 的 I/O 點數(shù)的多少，可將 PLC 分為小型，中型和大型三類（1）.型 PLCI/O 點數(shù)2048 點，多 CPU，16 位、32 位處理器，用戶存儲器容量 8-16KS7-400 德國西門子公司GE-IV GE 公司C-2000 立石公司K3 三菱公司2.2 可編程控制器 PLC的應(yīng)用與前景目前，在國內(nèi)外 PLC 已廣泛應(yīng)用冶金，石油，化工，剪彩，機械制造，電力，汽車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)，隨著 PLC 性能價格 的不斷提高，器應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，從應(yīng)用類型看大致可歸納為以下幾個方面：2.2.1 強量邏輯運算利用 PLC 最基本的邏輯運算，定時，計收等功能實現(xiàn)邏輯運算，科取代傳統(tǒng)的繼電器控制用于單片機控制，多機群控制，生產(chǎn)自動線控制等。例：機床，注塑機印刷機械，裝配生產(chǎn)線，電鍍流水線及電梯的控制等。這是 PLC 最基本的應(yīng)用，也是 PLC最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。2.運動控制大多數(shù) PLC 都有拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，這一功能廣泛用于各種機械設(shè)備。例如：各種機床，裝配機械。機器人等進行運動控制。3.過程控制大，中型 PLC 都具有多路模擬量 I/O 模塊和 PID 控制功能。有的小型 PLC 也具有模擬量輸入輸出，所以 PLC 可實現(xiàn)模擬量控制而且具有 PID 控制功能的 PLC 可構(gòu)成閉環(huán)控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鋁爐，反應(yīng)堆，水處理，釀酒及閉環(huán)位置控制和速度控制等方面。4.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代的 PLC 都具有數(shù)學運算數(shù)據(jù)傳遞，轉(zhuǎn)換，排序和查表等功能，可進行數(shù)據(jù)的采集，分析和處理，同時的通過通信接口將這些數(shù)據(jù)傳送給其電智能裝置。例如：CNC 設(shè)備進行處理。5.通信聯(lián)網(wǎng)PLC 的通信包括 PLC 與 PLC，PLC 與計算機，PLC 與其它智能設(shè)備之間的通信，PLC 系統(tǒng)與通用計算機可直接或通過通信處理單元，通信轉(zhuǎn)換單元相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，已4實現(xiàn)信息的交換和構(gòu)成。集中管理分散控制的多級分布式控制系統(tǒng)。滿足工廠自動化（FA）系統(tǒng)發(fā)展的需要。2.2.2 國外 PLC 發(fā)展概況PLC 在問世以來，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展。在美、德國等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一，世界總銷售額不斷上升，生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)，品種不斷翻新，產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) PLC。較多的有美國：AB 通用電氣、莫迪康公司；日本：松下、三菱、富士、歐姆龍等；德國：西門子公司；法國：TE 施耐德公司。韓國：三星、LG 公司等PLC 的發(fā)展前景（1）產(chǎn)品規(guī)模向大小兩個方向發(fā)展大：I/O 點數(shù)達 14336 點，32 位微處理器，多 CPU 并行工作 ，大容量存儲器，掃描速度快高速；小：整體結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本；（2）PLC 在閉環(huán)過程中應(yīng)用日益廣泛；（3 不斷加強通訊功能；（4）新器件和模塊不斷推出第三章 可編程控制器的編程語言3.1 可編程控制器的幾種編程語言可編程控制器的編程語言按 IEC61131-3 國際標準來分主要包括圖形化編程語言和文本化編程語言。圖形化編程語言包括:梯形圖(LD-Ladder Diagram)、功能塊圖(FBD-Function Block Diagram)、順序功能圖(SFC-Sequential Function Chart)。文本化編程語言包括:指令表(IL-Instruction List)和結(jié)構(gòu)化文本(ST-Structured Text)。這些語言是基于 WINDOWS 操作系統(tǒng)的編程語言.而 SFC 編程語言則在兩類編程語言中均可使用。下面分別來介紹這幾種編程度語言。3.1.1 梯形圖編程語言(LD-Ladder Diagram) 梯形圖來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，是 PLC 編程中被最廣泛使用的一種圖形化語言，由于梯形圖類似于繼電器控制的電氣接線圖，便于理解,因此許多編程人員和維護人員都選擇了這一編程方式。而且其圖形結(jié)構(gòu)類似于登高用的梯子，故名梯形圖。梯形圖程序的左右兩側(cè)有兩垂直的電力軌線，左側(cè)的電力軌線名義上為功率流從5左向右沿著水平梯級通過各個觸點、功能、功能塊、線圈等提供能量，功率流的終點是右側(cè)的電力軌線。每一個觸點代表了一個布爾變量的狀態(tài)，每一個線圈代表了一個實際設(shè)備的狀態(tài)，一個簡單的梯形圖程序如圖 1 所示:圖 3.1 梯形圖程序示例梯形圖的每個梯級表示一個因果關(guān)系,事件發(fā)生的條件表示在梯形的左面,事件發(fā)生的結(jié)果表示在梯級的右面。梯形圖編程語言具有如下特點:(1) 與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性;(2) 與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學習;(3) 對于復(fù)雜控制系統(tǒng)描述,仍不夠清晰;(4) 可讀性仍不夠好。幾乎所有 PLC 廠商提供的 PLC 都支持梯形圖編程語言,而且都比較容易理解，只是在梯形圖結(jié)構(gòu)上可能稍有變化。比如西門子的 S7 系列梯形圖就沒有右邊的電力軌線。有時在有此參考書中右邊的電力軌線也常常被省略。3.1.2 功能塊圖編程語言(FBD-Function Block Diagram)功能塊圖編程語言采用功能模塊表示所具有的功能，不同的功能模塊具有不同的功能。功能模塊用矩形來表示，每一個功能模塊的左側(cè)有不少于一個的輸入端，右側(cè)有不少于一個的輸出端。功能模塊的類型名稱通常寫在塊內(nèi)，其輸入輸出名稱寫在塊內(nèi)的輸入輸出點對應(yīng)的地方。功能模塊基本上分為兩類:基本功能模塊和特殊功能模塊?；竟δ苣K如AND，OR XOR 等等.特殊功能模塊如 ON 延時，脈沖輸出，計數(shù)器等等。功能塊編程語言具有以下特點:(1) 以功能模塊為單位,從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變的容易;(2) 功能模塊用圖形化的方式描述功能，較直觀易掌握，方便組態(tài)，易操作。是有發(fā)展前途的一種編程語言;6(3) 對較復(fù)雜系統(tǒng)，由于控制功能關(guān)系能夠比較清晰的描述，因此縮短了編程和調(diào)試時間;(4) 因為每一個功能模塊要占用一定程序存儲空間，對功能塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此，這種語言在大中型可編程控制器和分散控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。第四章 PLC 控制機械手的系統(tǒng)設(shè)計4.1 各電器設(shè)備的控制方式及控制要求1 機械手的技能和特性根據(jù)古典力學觀點，物體在三維空間的靜止位置是由三個坐標和繞三軸旋轉(zhuǎn)的角度來決定的。因此，抓握物體的位置和方向（即關(guān)節(jié)間的角度）能從理論上求得。據(jù)資料介紹，如果采用的機械手，其機能要接近人的上肢，則需要具有 27 個自由度，而每一個自由度至少要有一根“人造肌肉” 。這樣就需要安裝 27 根重量輕、小型和高輸出力的“人造肌肉” 。就目前的技術(shù)狀況而言，上述功能還很難辦到。而且把機械手的功能搞得那么復(fù)雜，動作彼此嚴重重疊也是完全不必要的。退一步，如果機械手要求具有完全通用的程度，那么它的整機、本體、手臂和手指都得有三個直線運動和三個旋轉(zhuǎn)運動，總共就要有 24 個自由度。這在實際上也是不必要的，這樣會使機械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用增多。因此，不應(yīng)盲目模仿人手的動作，增加過渡的自由度，而應(yīng)根據(jù)實際需要的動作，設(shè)計出最少的自由度就能完成作業(yè)所要求的動作。所以一般專用的機7械手（不包括握緊動作）通常具有二到三個自由度。而通用機械手一般取四到五個自由度。本設(shè)計中設(shè)計的機械手，它共有五個自由度。即：手臂伸縮、手臂上下擺動、手臂左右擺動、手腕回轉(zhuǎn)、手指抓握。2 .軀干和傳動系統(tǒng)機械手的傳動分為液壓、氣壓、電氣和機械四種，本設(shè)計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪則采用氣壓傳動。 (1)、夾緊機構(gòu)機械手手爪使用來抓取工件的部件。手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準確和可靠的要求。設(shè)計制造夾緊機構(gòu)手爪時，首先要從機械手的坐標形式、運行速度和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化，為擴大機械手的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物體，夾緊力應(yīng)限